JPH05166757A - 被処理体の温調装置 - Google Patents

被処理体の温調装置

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JPH05166757A
JPH05166757A JP35207391A JP35207391A JPH05166757A JP H05166757 A JPH05166757 A JP H05166757A JP 35207391 A JP35207391 A JP 35207391A JP 35207391 A JP35207391 A JP 35207391A JP H05166757 A JPH05166757 A JP H05166757A
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gas
heat exchange
wafer
temperature
processed
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JP35207391A
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Yoshihisa Hirano
能久 平野
Yoshifumi Tawara
好文 田原
Isahiro Hasegawa
功宏 長谷川
Keiji Horioka
啓治 堀岡
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Toshiba Corp
Tokyo Electron Ltd
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Electron Ltd
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Publication date
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエハと載置台間に導入される熱交換用ガス
の熱交換率を向上させ、かつ、ガスが処理室内にリーク
した際のプロセスに与える悪影響を最少限に止どめる。 【構成】 エッチング装置において、ウエハ１０とその
裏面側の静電吸着シート４０との間に、配管３６を介し
て所定圧力の熱交換用ガスを充填させる。エッチングガ
スがＣＨＦ3 の場合、熱交換用ガスとしては、エッチン
グガスの組成成分の少なくとも一部の組成成分である炭
素Ｃとフッ素ＦのみからなるＣＦ4 を用いる。ＣＦ
4 は、従来の熱交換用ガスであるＨｅより熱交換率が向
上し、かつ、エッチングガスと同一組成成分であるの
で、処理室内にリークした場合でもプロセスに与える悪
影響を最少限に止どめることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被処理体のと載置台と
の間の熱交換促進するために、その間に熱交換用ガスを
充填する被処理体の温調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、エッチング装置を例に挙げれ
ば、真空室内に対向電極を配置し、その一方の電極上に
静電チャック等により被処理体である半導体ウエハを載
置固定し、電界が形成される電極間にエッチングガスを
導入してプラズマを誘起してエッチング処理を実現して
いる。この際、ウエハ温度を所定温度に制御することで
エッチング特性が向上することが知られており、このた
め、載置台となる一方の電極を温調し、この電極及び静
電チャックを介してウエハとの間で熱交換を行ない、ウ
エハを所望温度に温調している。
【０００３】この際に、静電チャックとウエハとの間の
熱交換は、ウエハ裏面が微細な凹凸を有しており、ウエ
ハと静電チャック間には微少な空隙が存在する。この空
隙内が処理室と同様に真空状態となっていると熱交換が
効率良く実現できないので、ウエハ裏面と静電チャック
との間に熱交換用のガスを所定の圧力にて充填し、この
ガスの作用により熱交換特性を高めている。
【０００４】なお、この熱交換用ガスとしては、従来は
不活性ガスであるＨ2 等が用いられ、真空室内にリーク
した場合にもプロセスへの影響を最少限と止どめるよう
にしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体素子の高
密度化が進むにつれ、より緻密な処理が求められ、ウエ
ハの温度制御にもより高い精度が求められている。この
ため、本発明者等は従来の熱交換用ガスであるＨｅガス
よりも熱交換特性の高い代替ガスを採用することで、上
記課題を解決することを図った。
【０００６】この際、従来は真空室内へのリークを考慮
して、不活性ガスであることが条件と考えられ、これに
従えばＨｅ以外の不活性ガスとしてＡｒ等がまず最初に
代替ガスとして考えられる。しかし、本発明者等の実験
によれば、図３に示すようにＨｅとＡｒとはさぼど熱伝
達特性が変わらず、これ以外の不活性ガスはいわゆる希
ガスであるので熱交換ガスとして多量に使用するにはコ
スト的に見合わない。
【０００７】一方、不活性ガス以外のガスとしてＯ2 も
考えられ、図３に示すようにＨｅよりも熱伝達特性は改
善されることが実験的に確認できたが、Ｏ2 ガスが真空
室内にリークした場合には、プロセスガスとは全く異な
るので、特に緻密処理が要求される今後のプロセスで
は、Ｏ2 ガスのリークがプロセスに与える影響が大きい
ものと考えられる。
【０００８】そこで、本発明の目的とするところは、従
来より一般的な熱交換用ガスとして用いられていたＨｅ
よりも熱伝達特性に優れ、しかもリークした場合にプロ
セスに与える影響を最少限に止どめることができる熱交
換用ガスを用いた被処理体の温調装置を提供することに
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、処理用ガスが
導入される処理室内にて載置台上に被処理体を載置固定
し、この載置台を温調すると共に、前記被処理体裏面と
前記載置台間に、熱交換用ガスを所定圧力にて導入して
被処理体を温調する装置において、前記熱交換用ガスと
して、前記処理用ガスの組成成分のうち少なくともその
一部と同じ成分のみから組成され、かつ、Ｈｅよりも熱
交換特性の良好なガスを用いたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明にて用いられる熱交換用ガスは、その組
成成分として処理用ガスの組成成分以外の成分を含んで
いないので、処理室内にリークしたとしても、処理プロ
セスに与える影響を最少限に止どめることができ、しか
も、リーク時のプロセスに与える影響を考慮しつつ所望
の熱交換特性を得るに当って、従来のように不活性であ
るという限られた条件内で熱交換用ガスを選択する必要
がなくなり、各種プロセスに応じて選択の幅が広がる。
本発明者等の実験によれば、例えばエッチングガスとし
てＣＨＦ3 の場合には、その一部の組成成分のみで組成
されるＣＦ4 が、Ｈｅよりも熱伝達特性に優れているこ
とが判明した。
【００１１】
【実施例】以下、本発明をマグネトロンプラズマエッチ
ング装置に適用した一実施例について、図面を参照して
具体的に説明する。
【００１２】図１は、本実施例に係わるマグネトロンプ
ラズマエッチング装置の構成を概略的に示す断面図であ
る。被処理体であるウエハ１０は、第１のサセプター１
２の上に配置された静電吸着シート４０に載置固定され
る。この静電吸着シート４０は、クーロン力によってウ
エハ１０を吸引して固定する方式である。本実施例では
例えばモノポール型の静電チャック方式を採用し、２枚
の絶縁シート間に導電層を設けて静電吸着シート４０を
構成し、導電層に高電圧を印加すると共に、ウエハを後
述するプラズマを介して異電位に設定し、両者間にクー
ロン力を作用させて吸着を行なうものである。
【００１３】前記第１のサセプター１２は、第２のサセ
プター１４の上面に対して着脱自在に固定される。この
ように、サセプターを２つに分割しているのは、サセプ
ターが汚染された場合に上側の第１のサセプター１２の
みを交換すればよいこととし、そのメインテナンスを容
易にするためである。
【００１４】第１，第２のサセプター１２，１４の側面
および底面は、絶縁セラミック１６によって覆われてい
る。また、この絶縁セラミック１６の下面には、冷却部
としての液体チッ素収容部２０が設けられている。この
液体チッ素収容部２０の内壁底面は、例えばポーラスに
形成され、各沸騰を起することができるようになってお
り、その内部の液体チッ素を−１９６℃に維持できる。
なお、例えば第１，第２のサセプター１２，１４間に温
度調整可能なヒータ例えばセラミックヒータ（図示せ
ず）を設け、上記液体チッ素により達成される極低温温
度を、セラミックヒータにより温度調整して所望のウエ
ハ１０の制御温度を達成している。
【００１５】反応室を形成するためのチャンバーは、上
部チャンバー３０と下部チャンバー３２とから形成され
る。前記下部チャンバー３２は、第１のサセプター１２
のウエハ載置面のみをチャンバー室内に露出し、他の部
分を覆うような有底筒部を有する。すなわち、前記第
１，第２のサセプター１２，１４，絶縁セラミック１
６，液体チッ素収容部２０の側面を覆う側壁３２ａと、
支持壁３２ｂとを有している。一方、前記上部チャンバ
ー３０は、下部チャンバー３２の側壁３２ａの周囲を覆
うように筒状に形成され、その下端側が前記下部チャン
バー３２と連結固定されている。また、この上部チャン
バー３０は、第１のサセプター１２の上面と対向する第
１の面３０ａと、第１のサセプター１２の上面と垂直な
第２の面３０ｂとを有している。なお、エッチングガス
は、第１の面３０ａの多孔（図示せず）を介して導入さ
れる。本実施例ではエッチングガスとして例えばＣＨＦ
3 が用いられる。
【００１６】この上部チャンバー３０と前記下部チャン
バー３２とで構成される反応室内は、配管３４によって
真空引きが可能である。反応室内は、最初に高真空度の
バックプレッシャまで排気されて残留ガスが除去された
後、エッチングガスＣＨＦ3 が例えば50SCCMの流量にて
導入され、反応室は例えば４０mTorr の圧力が維持され
るように排気コンダクタンスが調整される。
【００１７】前記第１のサセプター１２、第２のサセプ
ター１４、絶縁セラミック１６、液体チッ素収容部２０
には、それぞれ貫通穴が設けられており、この貫通穴に
は配管３６が配置されている。前記ウエハ１０と静電チ
ャック吸着シート４０との接合面には、ウエハ１０の裏
面の微細な凹凸等に起因する空隙が存在しており、熱交
換効率が悪化し、ウエハ１０に温度むら等が生じる原因
となるが、この配管３６を介して空隙に所定の圧力の熱
交換用ガスを充満させることにより、かかる温度むら等
を防止することができる。なお、第１のサセプター１２
上に設けられてウエハ１０を静電吸着する静電吸着シー
ト４０は、図２に示すようにウエハ１０の裏面周縁領域
と対向する位置にて所定間隔毎に開口するガス導入口４
２を有し、前記配管３６を介して導入される熱交換用ガ
スはこの周縁領域のガス導入口４２を介してウエハ１０
の裏面側に所定の圧力にて充填されることになる。
【００１８】本実施例ではエッチングガスがＣＨＦ3 で
あることを考慮し、前記熱交換用ガスとしてはエッチン
グガスＣＨＦ3 の一部の組成成分である炭素Ｃ及びフッ
素Ｆと同じ成分のみから成るＣＦ4 を用いている。
【００１９】本実施例のマグネトロンエッチング装置で
は、上部チャンバー３０を接地し、第１，第２のサセプ
ター１２，１４に例えば４００ｗのＲＦ電力を供給する
ことにより、平行平板電極を構成している。すなわち、
上部チャンバー３０の上部壁３０ａをカソード電極とし
て作用させ、第１のサセプター１２の表面をアノード電
極として作用させることにより、ＲＩＥ方式のマグネト
ロンプラズマエッチング装置を構成している。そして、
チャンバー内を真空引きした状態でエッチングガスを導
入し、上記対向電極間にエッチングガスによるプラズマ
を生成する。このように、本実施例では、上部チャンバ
ー３０をカソード電極として使用しているので、装置の
構成を簡単にすることができ、さらに、後述する永久磁
石３８を上部チャンバー３０の外に配置することができ
る。また、このように、永久磁石３８を上部チャンバー
３０の外に配置することにより、反応室の容積を小さく
することができるので、配管３４につながれた真空ポン
プ（図示せず）の負担を小さくすることができ、或い
は、真空引きに要する時間を短縮することができる。
【００２０】本実施例のマグネトロンプラズマエッチン
グ装置では、前記ウエハ１０と対向する位置であって、
前記上部チャンバー３０の外側上方にて永久磁石３８を
回転させることにより、上部チャンバー３０と第１のサ
セプター１２のとの間に磁界を形成することができる。
このように、永久磁石３８によって上部チャンバー３０
と第１のサセプター１２のとの間に磁界を形成するの
は、上部チャンバー３０と第１のサセプター１２との間
に発生する電界と、この電界に直交する電界成分との作
用によって、フレミングの左手の法則により、それぞれ
に直交する方向に電子のサイクロイド運動を行なわせ、
これにより電子とガス分子との衝突の頻度を増大させる
ためである。
【００２１】次に作用について説明する。
【００２２】ウエハ１０をチャンバー内の静電吸着シー
ト４０上に載置した後、ウエハ搬入出用のゲート（図示
せず）を閉鎖してチャンバー内を所定圧力のベースプレ
ッシャまで高真空引きした後、エッチングガスＣＨＦ3
を導入し、排気コンダクタンスを調整してチャンバー内
圧力を例えば４０mTorr の圧力に維持する。
【００２３】さらに、上部チャンバー３０と第１のサセ
プター１２で構成される平行平板電極に例えば６００ｗ
のＲＦパワーを供給すると共に、磁石３８を回転して、
上述した作用により高密度のプラズマをウエハ１０の上
方に形成し、マグネトロンプラズマエッチングが開始さ
れる。なお、静電吸着シート４０には高電圧が印加さ
れ、本実施例ではモノポール型の静電チャツクであるの
で、プラズマを介して電位設定されるウエハ１０と静電
吸着シート４０との間にクーロン力を作用させ、ウエハ
１０を静電吸着シート４０に吸着固定することができ
る。
【００２４】ところで、エッチングプロセスでは、ウエ
ハ１０がプラズマに晒されるため温度上昇するが、エッ
チング特性を向上するためにはウエハ１０をある温度に
温調する必要がある。
【００２５】そこで、本実施例では液体チッ素の極低温
温度を利用し、第１，第２のサセプタ１２，１４及びウ
エハ１０の裏面側に充填される熱交換用ガスＣＦ4 を介
して熱交換し、ウエハ１０を所定温度に冷却している。
冷却設定温度としては、下部電極である第１のサセプタ
ー１２が例えば２０℃になるように制御し、この温度は
液体チッソの極低温温度と温度調整可能な例えばセラミ
ックヒータ（図示せず）により達成される。
【００２６】熱交換用ガスＣＦ4 は、ウエハ１０の裏面
が凹凸であることに鑑み、静電吸着シート４０とウエハ
１０との間の空隙がチャンバー内圧力と同じ真空度にな
ると熱交換が阻害されるため、この空隙を熱交換用ガス
ＣＦ4 により常時所定圧力に維持して熱交換を促進させ
ている。
【００２７】図３は、上述したプロセス条件の下にて、
本実施例の熱交換用ガスＣＦ4 と、従来の熱交換用ガス
Ｈｅ，Ａｒ，Ｏ2 とを用いたそれぞれ場合にて、ガス充
填圧力変化させた場合のウエハ１０の温度を測定したも
のである。図３より明らかなように、本実施例の熱交換
用ガスＣＦ4 の場合が最も熱交換効率が良く、ウエハ１
０の温度を効率好く冷却できることが判る。
【００２８】さらに、図３から分かるように、充填圧力
が高いほどウエハ１０の温度を低くでき、通常充填圧力
は３Torr〜３０Torrの範囲に設定される。上記範囲より
も低い圧力では所望の熱交換率が期待できず、上記範囲
より高いとウエハ１０の裏面に存在する僅かなゴミ等の
影響により静電チャックのチャック力に抗してウエハ１
０が浮き上がる等の弊害が生ずるからである。換言すれ
ば、静電チャックのチャック力が低下してしまうのであ
る。さらに、図３のデータから分るように、上記充填圧
力としては、好ましくは７．５〜１５Torrに設定される
ことが良く、この圧力範囲にてウエハ１０の冷却温度は
ほぼ飽和状態となる。しかも、熱交換用ガスがウエハ１
０の裏面よりチャンバー内に洩れるリーク量は、充填圧
力が高い時ほど多くなり、上記範囲では熱交換率を高め
ながらもリーク量を押さえることができる効果もある。
【００２９】次に、熱交換用ガスのリークについて考察
する。
【００３０】ウエハ１０と静電吸着シート４０とは、ク
ーロン力により密着されているのみであるから、その周
辺部には僅かであるが隙間が生じ、ウエハ１０の裏面側
より圧力の低いチャンバー内への熱交換用ガスのリーク
は防止し得ない。
【００３１】本実施例では従来の熱交換ガスよりも熱交
換率の高いＣＦ4 を用い、しかもそれがリークした場合
のエッチングプロセスに与える悪影響を最少限に止どめ
るという効果もある。すなわち、エッチングガスがＣＨ
Ｆ3 である本実施例のプロセスに鑑み、熱交換用ガスの
組成成分はエッチングガスの一部の組成成分と同一の成
分のみからなるＣＦ4 を用いているからである。したが
って、この熱交換用カズがリークしてチャンバー内にて
プラズマ化された場合、エッチングガスと同一成分のイ
オンとすることができるのである。さらに、ＣＦ4 はデ
ポジションガスをも生成しないため、ウエハ１０又はチ
ャンバー内の汚染も生じない効果がある。この点、エッ
チングガスと同一ガスであるＣＨＦ3 を熱交換用ガスと
して用いた場合と比較すれば、Ｈｅよりも熱交換率が高
まり他の組成を含まないことに関してはＣＦ4 と同様で
あるが、ＣＨＦ3 は組成成分Ｈを含むことからデポジシ
ョンガスを生成し易く、汚染を招く恐れがあることか
ら、ＣＦ4 を採用することが望ましい。
【００３２】次に、熱交換用ガスＣＦ4 をウエハ１０の
裏面周縁領域より導入した場合の効果について説明す
る。
【００３３】従来の静電吸着シートは、図４に示すよう
にシート５０の中心から周縁に亘るほぼ全域にて分散配
置されて開口するガス導入口５２を有していた。
【００３４】本実施例のように周縁でのみ開口するガス
導入口４２を有する静電吸着シート４０を用いた場合
と、ほぼ全域で開口するガス導入口５２を有する静電吸
着シート５０を用いた場合のそれぞれについて、上記エ
ッチングプロセスと同一条件下にてウエハ１０のエッ
ジ，センター及びその中間位置（ミドル）の各点でのウ
エハ温度を測定した。図５は本実施例の静電吸着シート
４０を用いた場合の特性図であり、図６は比較例として
静電吸着シート５０を用いた場合の特性図である。
【００３５】両図の比較から明らかなように、ウエハ１
０の裏面周縁領域のみから熱交換用ガスを導入した本実
施例の場合の方が、ウエハ１０面上における温度分布の
均一性が向上することが分かる。この結果、エッチング
処理の面内均一性を向上することができる。
【００３６】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。
【００３７】上記実施例はエッチングガスＣＨＦ3 の場
合に熱交換用ガスＣＦ4 を適用するものであったが、こ
の他、例えばエッチングガスＣｌ2 に対して熱交換用ガ
スＣｌ2 を用いるもの、エッチングガスＳＦ6 に対して
熱交換用ガスＳＦ6 を用いるもの等、Ｈｅよりも熱交換
率が高く、かつ、処理ガスの組成成分の少なくとも一部
と同一組成成分のみからなる処理ガス−熱交換用ガスの
組み合わせであれば良い。処理ガスが複数種の場合に
は、複数種の処理ガスの組成成分の少なくとも一部と同
一組成成分のみからなり、かつＨｅよりも熱交換率の高
い熱交換用ガスを採用できる。
【００３８】さらに、上記実施例はエッチングプロセス
を例に挙げて説明したが、スパッタ，イオン注入又はＣ
ＶＤ等の被処理体の温度制御が必要な各種処理、特に減
圧下で処理する装置に好適に適用でき、被処理体のチャ
ック手段としては静電チャックに限らずメカニカル・ク
ランプ方式等の他の方式であっても良い。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば被
処理体裏面側に導入される熱交換用ガスにより、Ｈｅよ
りも高い熱交換率を達成でき、しかも熱交換用ガスが処
理室内にリークした場合にも、プロセスに与える悪影響
を最少限に止どめることができ、被処理体を所望温度に
コントロール出来ると共に歩留まりの良い処理を達成す
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したマグネトロンプラズマエッチ
ング装置の概略断面図である。
【図２】図１のウエハチャック手段であり、周辺のみに
ガズ導入口を有する静電吸着シートの平面図である。
【図３】各種熱交換用ガスそれぞれについて充填圧力を
変化させた場合の、達成されるウエハ温度を測定した特
性図である。
【図４】ほぼ全域にガス導入口を拡散配置した静電吸着
シートの平面図である。
【図５】図２の静電吸着シートを用いた場合の、ウエハ
温度分布を示す特性図である。
【図６】図４の静電吸着シートを用いた場合の、ウエハ
温度分布を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ ウエハ １２ 載置台 ２０ 温調部 ３６ ガス導入用配管 ４０ 静電吸着シート ４２ ガス導入口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 功宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 堀岡 啓治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 処理用ガスが導入される処理室内にて載
    置台上に被処理体を載置固定し、この載置台を温調する
    と共に、前記被処理体裏面と前記載置台間に、熱交換用
    ガスを所定圧力にて導入して被処理体を温調する装置に
    おいて、 前記熱交換用ガスとして、前記処理用ガスの組成成分の
    うち少なくともその一部と同じ成分のみから組成され、
    かつ、Ｈｅよりも熱交換特性の良好なガスを用いたこと
    を特徴とする被処理体の温調装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記被処理体の裏面
    周縁領域と対向する位置にて開口するガス導入口を前記
    載置台に設け、前記熱交換用ガスを前記被処理体の裏面
    周縁より導入することを特徴とする被処理体の温調装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２において、前記処理用ガ
    スは組成成分として炭素Ｃ及びフッ素Ｆを含み、前記熱
    交換用ガスをＣＦ4 としたことを特徴とする被処理体の
    温調装置。
JP35207391A 1991-12-13 1991-12-13 被処理体の温調装置 Pending JPH05166757A (ja)

Priority Applications (4)

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