JPH04279044A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマエッチング装置
及びプラズマ気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ
　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　；ＣＶＤ）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。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。

【０００４】図９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。図中５０は試
料保持装置であり、この試料保持装置５０は基台５１に
温度制御板５２が載置され、温度制御板５２に試料台５
３が載置されて構成されている。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側に固定されており、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。アー
スは、温度制御板５２及び試料台押え５４からアースに
より逃げる電力を制御するために２ＭΩ以上の抵抗Ｒを
介して行なわれている。また、試料台押え５４上面には
石英板５５が載置され、この石英板５５により試料台押
え５４の上面がプラズマで叩打されるのを防止している
。

【０００５】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６
０が形成されている。

【０００６】試料台５３は、静電電極５７（導電部材）
が絶縁膜５６により被覆されて構成されており、静電電
極５７は電極棒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。

【０００７】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、電極棒５８を介して静電電極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、静電電極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、静電電極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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記試料保持装置５０
においては、試料５９の温度制御、特に冷却が必要であ
る。従って、試料台５３と温度制御板５２との間の熱伝
導がよくなければならず、試料台５３と温度制御板５２
とを密着させている。高周波が静電電極５７に印加され
た場合、高周波は温度制御板５２に比べて抵抗の低い試
料５９側に主として印加されて試料５９表面にバイアス
電圧が励起されるが、同時に試料台５３及び試料台押さ
え５４にも高周波が印加される。さらに、温度制御板５
２が静電電極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にも印加される。そして温度制御板５
２及び試料台押さえ５４に印加された高周波電力は、ア
ース側及び石英板５５を通してプラズマ中に逃げ、電力
損失を生じるという課題があった。

【０００９】さらに、上記従来の試料保持装置５０にお
いては、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、試料５９の汚染あるいは装置の汚染の発生原因にな
る虞があり、さらに、これら汚染に伴うプラズマ処理再
現性の悪化という課題があった。

【００１０】本発明はこのような課題に鑑み発明された
ものであって、高周波印加時の、試料近傍部材からの電
力損失をなくし、これら部材からの汚染を低減する。ま
た、試料近傍でのプラズマ中のイオンを制御可能とする
試料保持装置を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】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、高周波電力が印加され
る静電電極が絶縁膜で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た試料保持装置において
、前記試料台の外周部近傍に、該試料台とは電気的に絶
縁され、電界を印加する電源が接続された導電性部材が
配設されていることを特徴とし、また、上記した試料保
持装置において、導電性部材の上にさらに被覆部材を備
えることを特徴としている。

【００１２】また、上記試料保持装置における導電性部
材への電源の接続に代えて、導電性部材がアースされて
いることを特徴としている。

【００１３】また、請求項２記載の試料保持装置におけ
る導電性部材に代えて、電気的に絶縁された導電性部材
を備えていることを特徴としている。

【００１４】

【作用】図８に基づいて、従来の試料保持装置の高周波
電界の作用を説明する。静電電極５７に高周波が印加さ
れると絶縁膜５６を通して試料５９表面にバイアス電圧
が励起され、静電電極５７とプラズマとの間にコンデン
サＰが形成されると考えられる。また、静電電極５７か
らの高周波は絶縁膜５６を通して試料台押え５４にも印
加される。この際、絶縁膜５６はコンデンサＡの役割を
果す。さらに、試料台押え５４は石英板５５を介してプ
ラズマと接触しており、石英板５５は等価的にコンデン
サの役割を果すこととなり、コンデンサＢが形成される
と考えられる。従って、高周波は、静電電極５７→（試
料５９）→コンデンサＰ→プラズマと、静電電極５７→
コンデンサＡ→試料台押え５４→コンデンサＢ→プラズ
マの２つの経路によりプラズマに供給されることとなり
、試料５９のみに効率的に高周波を印加するためには、
後者の経路による供給を低減する必要がある。

【００１５】そこで、高周波電力が印加される静電電極
が絶縁膜で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た試料保持装置において、前記試料
台の外周部近傍に、該試料台とは電気的に絶縁され、電
界を印加する電源が接続された導電性部材が配設されて
いる場合、該導電性部材に外部より電界を印加すること
により該導電性部材近傍のプラズマ中のイオンのエネル
ギを制御することが可能となる。

【００１６】また、上記試料保持装置において、導電性
部材の上に被覆部材を備えている場合、図７に示したよ
うに、コンデンサＤがつけ加えられた状態となり、この
ため、上記前者の経路に比べ、コンデンサＤを含む後者
の経路のインピーダンスが高くなり、選択的に前者の経
路よりプラズマに高周波が供給されることとなる。また
導電性部材２９がプラズマに曝されることがなくなり、
導電性部材２９からの試料３４の汚染及び装置の汚染、
あるいはこれら汚染に伴うプラズマ処理再現性の悪化が
防止される。

【００１７】また、上記試料保持装置において、前記導
電性部材への電源の接続に代えて、前記導電性部材がア
ースされている場合、静電電極から絶縁膜を介して試料
台押えに印加された高周波がアース側へ逃げるため、高
周波はほとんど前記静電電極からプラズマに供給され、
試料台の外周部近傍にプラズマイオンが吸引されて、試
料近傍の部材表面がエッチングされたり、あるいは該部
材表面に薄膜が形成されることが抑制される。

【００１８】また、試料保持装置における前記導電性部
材に代えて、電気的に絶縁された導電性部材を備えてい
る場合には、電界を印加するための電源を接続したり、
アースを施さなくても、前記導電性部材がプラズマに曝
されることがなく、該導電性部材による試料の汚染及び
装置の汚染、あるいはこれら汚染に伴うプラズマ処理再
現性の悪化が防止される。

【００１９】なお、前記被覆部材は導電性部材がプラズ
マに曝されないように被覆するものであって、その材料
はプラズマに対して削られにくく、純度の高い導電性、
半導電性あるいは絶縁性材料により構成されている。ま
た、前記被覆部材が半導電性材料である場合、プラズマ
により前記被覆部材をスパッタさせることによってチャ
ンバー内のプラズマ雰囲気を安定させることも可能であ
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて
詳説する。図１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（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃ
ｅ；ＥＣＲ）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。図中１０はＥＣＲプラズマエッチング装
置であり、このＥＣＲプラズマエッチング装置１０は、
プラズマ生成室１１と、このプラズマ生成室１１の下部
に接続された試料室１２と、プラズマ生成室１１の上方
にあってマイクロ波をプラズマ生成室１１に導入するマ
イクロ波導波管１３と、プラズマ生成室１１の周囲にあ
って、このプラズマ生成室１１と同心状に配設された励
磁コイル１４と、試料室１２に内装される試料保持装置
２３等とから構成されている。

【００２１】プラズマ生成室１１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１５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１６が形成さ
れている。

【００２２】試料室１２は、プラズマ生成室１１よりも
大口径を有すると共に、その側壁には第２のガス導入管
１７が接続されている。またプラズマ生成室１１とは仕
切板１９によって仕切られ、この仕切板１９にはプラズ
マ引出窓１８が形成されている。さらに、試料室１２の
側壁であって、第２のガス導入管１７が接続された側と
反対側に排気口２２が形成されて図示省略の排気系に接
続されている。

【００２３】マイクロ波導波管１３は、断面形状矩形に
形成され、石英製のマイクロ波導入窓２０を介してプラ
ズマ生成室１１に接続されている。

【００２４】試料保持装置２３を図２に示す。図２にお
いて、２３は試料保持装置であり、この試料保持装置２
３は平面視円形形状に形成された基台２４に温度制御板
２５が載置され、この温度制御板２５に試料台２６が載
置され、この試料台２６はその周囲に配設された金属製
の試料台押え２７により温度制御板２５側に固定されて
いる。また、試料台押え２７上には石英板２８が載置さ
れ、さらにその上に導電性部材２９が載置されており、
導電性部材２９には電源が接続されている。

【００２５】導電性部材２９は試料台押え２７のプラズ
マ面側が隠れるように配設されており、試料台２６には
接触しないように２〜３ｍｍの間隔を有している。また
、導電性部材２９は、アルミニウムあるいは銅等の抵抗
の小さな導電性材料で形成されている。

【００２６】試料台２６は静電電極３０が絶縁膜３１に
より被覆されて構成されており、静電電極３０には、温
度制御板２５等を貫通している電極棒３２を介して直流
電源及び高周波電源（図示せず）が接続されている。ま
た、電極棒３２には絶縁筒３５が覆設されており、電極
棒３２と温度制御板２５等との電気的接触が防止されて
いる。

【００２７】試料保持装置の別の実施例を図３に示す。 図３において３８は試料保持装置であり、この試料保持
装置３８は平面視円形形状に形成された基台２４に温度
制御板２５が載置され、この温度制御板２５に試料台２
６が載置され、この試料台２６はその周囲に配設された
金属製の試料台押え２７により温度制御板２５側に固定
されている。また、試料台押え２７上には石英板２８が
載置され、その上に導電性部材２９が載置されており、
導電性部材２９には電源３６が接続されている。導電性
部材２９の上にはさらに被覆部材３７が載置されている
。

【００２８】被覆部材３７は試料台押え２７、石英板２
８及び導電性部材２９がプラズマに対して隠れるように
配設されている。

【００２９】試料台２６は静電電極３０（導電部材）が
絶縁膜３１により被覆されて構成されており、静電電極
３０には温度制御板２５等を貫通している電極棒３２を
介して直流電源及び高周波電源（図示せず）が接続され
ている。電極棒３２には絶縁筒３５が覆設されており、
電極棒３２と温度制御板２５等との電気的接触が防止さ
れている。

【００３０】また、図４に試料保持装置の別の実施例を
示す。この図４に示した試料保持装置３９が図３に示し
た試料保持装置３８と相違する点は、導電性部材２９に
電源３６が接続されるのではなく、導電性部材２９がア
ースされている点である。

【００３１】このように電源３６の接続に代えてアース
することにより、試料保持装置３９をより簡単なものと
してコストダウンを図ることができながら、試料保持装
置３８と略同様の効果を得ることができる。

【００３２】図５に試料保持装置のさらに別の実施例を
示す。この図５に示した試料保持装置４０では図４に示
した試料保持装置３９がさらに簡略化された構成となっ
ており、導電性部材２９へのアースが略省かれた構成と
なっている。その他の構成は図４に示した試料保持装置
３９と同じ構成となっている。

【００３３】このように導電性部材２９へのアースを省
略することにより、試料保持装置４０をさらに簡単なも
のとしてコストダウンを図ることができながら、ある程
度の効果は確保されることとなる。

【００３４】また、上記した試料保持装置２３、３８、
３９、４０の温度制御板２５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３３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３４を冷却し、温度を制御してい
る。

【００３５】このように構成された試料保持装置２３、
３８、３９、４０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、電極棒３２を介して
静電電極３０に直流電圧が印加され、かつ試料台２６上
の試料３４にプラズマが照射されると、静電電極３０は
正（又は負）に帯電する一方、試料３４はプラズマを介
して電気的に接地される。そして、試料３４と試料台２
６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３４が試料台２６に保持される。そし
てさらに、静電電極３０に高周波が印加されることによ
り、試料３４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３４の表
面へのエッチングあるいは薄膜形成がなされる。

【００３６】上記試料保持装置２３、３８、３９、４０
を具備したＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、以
下の如くに試料台２６に載置された試料３４のエッチン
グを行なった。試料３４として熱酸化膜付きシリコンウ
ェハを使用し、導電性部材２９としてアルミニウムを、
被覆部材３７として石英を用い、導電性部材２９に正の
直流電圧を印加した。また、エッチング条件としてはＣ
Ｆ４ガスをエッチングガスとして用い、試料室１２内の
圧力を１ｍＴｏｒｒに保ち、マイクロ波パワー１ｋＷ及
び励磁コイル１４による共鳴によりプラズマを発生させ
た。試料台２６には電極棒３２を介して高周波を印加し
た。試料３４への高周波印加電力に対するＳｉＯ２　の
エッチング速度を図６に示した。

【００３７】図６において、白三角は図３に示した試料
保持装置３８の導電性部材２９に直流電圧＋５０Ｖを印
加した時のエッチング速度を示すプロットであり、白丸
は図４に示した試料保持装置３９の導電性部材２９をア
ースした時のエッチング速度を示すプロットであり、白
四角は図５に示した試料保持装置４０の導電性部材２９
を電気的に絶縁した時のエッチング速度を示すプロット
である。また、白菱形は図９に示した従来装置における
アースを省略した場合について高周波印加電力に対する
ＳｉＯ２　のエッチング速度を示すプロットであり、こ
の場合のエッチング条件は、上記実施例に係る装置を用
いた場合と同様に設定した。

【００３８】図６から明らかなように、図３に示した試
料保持装置３８の導電性部材２９に正の電圧を印加する
ことにより、試料台押え２７上へのプラズマ中のイオン
の侵入が防止され、効率よくエッチングできることがわ
かる。このことから、図２に示した試料保持装置２３の
導電性部材２９に同様に電圧を印加することにより、同
様の効果が得られることが容易に推察される。

【００３９】また、図４に示した試料保持装置３９の導
電性部材２９をアースすることにより、試料台押え２７
からのプラズマへの高周波の供給が阻止され、高周波の
ほとんどが試料３４を通してプラズマに供給されて効率
よくエッチングできることがわかる。

【００４０】図５に示した試料保持装置４０の導電性部
材２９を電気的に絶縁することにより、図９に示したよ
うな導電性部材２９を配置しない場合と比較して試料台
押え２７からのプラズマに対するインピ−ダンスが高く
なり、静電電極３０に印加された高周波は、静電電極３
０から試料３４を通してプラズマに供給される率が上昇
し、試料３４のエッチング速度が上昇することがわかる
。

【００４１】このように、上記実施例に係る装置を用い
てエッチングを行なえば高周波印加時に、試料台２６の
外周部近傍の部材からの電力損失が少なくなり、さらに
、これら部材からの試料３４の汚染及び装置の汚染、あ
るいはこれら汚染に伴うプラズマ処理再現性の悪化を防
止することができ、試料３４近傍でのプラズマ中のイオ
ンを制御することもできる。

【００４２】なお、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
合にも同様に適用することができる。また、上記実施例
においては導電性部材２９に正の直流電圧を印加した場
合について説明したが、所望のプラズマ中イオンの制御
状況に応じて負の直流電圧、交流電圧あるいは高周波を
印加しても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る試料保
持装置は、高周波電力が印加される静電電極が絶縁膜で
被覆された試料台と、該試料台が載置される温度制御板
とを備えた試料保持装置において、前記試料台の外周部
近傍に、該試料台とは電気的に絶縁され、電界を印加す
る電源が接続された導電性部材が配設されているので、
該導電性部材に外部より電界を印加することにより該導
電性部材近傍のプラズマ中のイオンのエネルギを制御す
ることができる。つまり、前記試料台の外周部近傍に印
加される高周波電力が抑制されるので、該試料台の外周
部近傍の部材からの電力損失が少なくなり、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。ま
た、上記試料保持装置において、前記導電性部材の上に
さらに被覆部材を備えている場合には、前記導電性部材
がプラズマに曝されることがなくなり、該導電性部材か
らの試料の汚染及び装置の汚染、あるいはこれら汚染に
伴うプラズマ処理再現性の悪化を防止することができる
。

【００４４】また、上記試料保持装置において、前記導
電性部材への電源の接続に代えて、前記導電性部材がア
ースされている場合には、導電性部材から絶縁膜を通し
て試料台押えに印加された高周波がアース側へ逃げ、前
記試料台の外周部近傍にプラズマイオンが吸引されて試
料の表面外へのエッチングあるいは薄膜形成を抑制する
ことができ、試料表面に効率よくエッチング及び薄膜形
成を行なうことができる。

【００４５】また、試料保持装置における導電性部材に
代えて、電気的に絶縁された導電性部材を備えている場
合には、電界を印加するための電源の接続及びアースを
省略することができ、構造の簡略化を図ることができ、
しかも前記導電部材がプラズマに曝されることがなく、
試料台の外周部近傍部材からの試料の汚染及び装置の汚
染、あるいはこれら汚染に伴うプラズマ処理再現性の悪
化を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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である。

【図２】本発明に係る試料保持装置の一実施例を示す断
面図である。

【図３】試料保持装置の別の実施例を示す断面図である
。

【図４】試料保持装置のさらに別の実施例を示す断面図
である。

【図５】試料保持装置のさらに別の実施例を示す断面図
である。

【図６】ＳｉＯ２　エッチング速度と試料への高周波印
加電力との関係を表わすグラフである。

【図７】本発明に係る試料保持装置の作用を説明するた
めの模式図である。

【図８】従来の試料保持装置の作用を説明するための模
式図である。

【図９】従来の試料保持装置を示す断面図である。

【符号の説明】

２３　　試料保持装置 ２５　　温度制御板 ２６　　試料台 ２９　　導電性部材 ３０　　静電電極（導電部材） ３１　　絶縁膜 ３６　　電源 ３７　　被覆部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　高周波電力が印加される静電電極が絶
   縁膜で被覆された試料台と、該試料台が載置される温度
   制御板とを備えた試料保持装置において、前記試料台の
   外周部近傍に、該試料台とは電気的に絶縁され、電界を
   印加する電源が接続された導電性部材が配設されている
   ことを特徴とする試料保持装置。
2. 【請求項２】　　導電性部材の上に、さらに被覆部材を
   備えた請求項１記載の試料保持装置。
3. 【請求項３】　　請求項２記載の試料保持装置における
   導電性部材への電源の接続に代えて、導電性部材がアー
   スされている試料保持装置。
4. 【請求項４】　　請求項２記載の試料保持装置における
   導電性部材に代えて、電気的に絶縁された導電性部材を
   備えている試料保持装置。