JPH05299385A

JPH05299385A - プラズマエッチング装置用電極およびそれを用いたプラズマエッチング装置

Info

Publication number: JPH05299385A
Application number: JP5030418A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakagawa; 聡中川
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1993-11-12
Also published as: US5447595A

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構造で、エッチング特性が安定な、信
頼性の高いエッチング装置を提供する。【構成】下部電極２４は、アルミニウム部３６とその
上に形成された陽極酸化膜部３７との二層構造であり、
アルミニウム部３６の表面３８を研磨して表面粗さを１
μｍ以下に仕上げた後に、陽極酸化法により陽極酸化膜
を成長させ、さらに陽極酸化膜３７の表面３９を研磨し
て、表面粗さを１μｍ以下に仕上げて形成した。研磨は
ダイヤモンド研磨粉を用いたラッピング法で行った。被
エッチング基板と下部電極２４との間に表面平滑度の高
い陽極酸化膜３７が挟まるため、プラズマの陰極降下に
よりわずかに帯電した被エッチング基板が弱く下部電極
２４に吸着する。電極２４表面の平滑度がよいため、弱
い吸着でも接触面積が大きく、熱伝導がきわめてよく、
基板温度を精度よく制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低温プラズマを応用し
た、プラズマエッチング装置用電極およびそれを用いた
プラズマエッチング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマエッチング装置につい
て、図面を参照しながら説明する。図４（ａ）は、従来
のプラズマエッチング装置の断面構造図である。図４
（ｂ）は、図４（ａ）中の円１内の拡大図である。エッ
チング室２内の雰囲気は、排気口３より排気されて真空
状態となる。下部電極台４は絶縁材料で形成されてい
る。下部電極台４上に下部電極５があり、さらにその上
に被エッチング基板６が置かれる。上部電極７は、ガス
入口１０から導入されたエッチングガスを、ガス分散穴
１１よりエッチング室２に導いている。また、下部電極
５は、高周波電力印加点８で高周波電源９と電気的に接
続されており、接地１２で接地電位にある、エッチング
室２及び上部電極７との間にプラズマを生成する。ま
た、下部電極５は、冷媒入口１３から冷媒出口１４に冷
媒１５を流し、冷却している。エッチング室２は接地１
６されている。図４（ｂ）で、従来より、下部電極５表
面は、表面粗さが１０μｍ程度以上であった。

【０００３】図４では被エッチング基板は下部電極５上
に静置されているだけである。このほかに、被エッチン
グ基板を下部電極５上に静置させる方法として、被エッ
チング基板の表面を押さえ付け、裏面にＨｅガスを導入
して静置させるクランプ型がある。

【０００４】また下部電極５表面に絶縁膜を設け、下部
電極５に高い直流電圧を印加する。これによって、絶縁
膜に電荷を注入し、その電荷による吸着を利用して被エ
ッチング基板を下部電極５に静置させる静電吸着型があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
の技術では、下部電極５表面の平滑度が悪く、被エッチ
ング基板との熱伝導が悪いため、被エッチング基板表面
の温度がエッチング中に上昇し、エッチング特性が安定
しない。

【０００６】クランプ型では被エッチング基板の表面を
物理的に押さえ付けるため、汚れや傷が付くことが多
い。このような問題を解決する方法として、たとえば耐
食性の酸化被膜をアルミニウム電極に形成する方法（特
開昭６３−５８９２０号公報）や、プラズマエッチング
やプラズマＣＶＤの電極にスパッタ効率の小さい被膜を
形成すること（特開平１−３１２０８８号公報）が知ら
れている。

【０００７】また、静電吸着型では、下部電極５に直流
電圧を印加することで、被エッチング基板を下部電極５
に静電吸着させる。しかし、この状態でプラズマ処理を
行うと被エッチング基板が下部電極５に吸着したままは
なれず、物理的に離そうとすると、被エッチング基板に
傷をつけたり、破損してしまう。このために、アルミニ
ウム電極に陽極酸化膜を形成し、その陽極酸化膜のポア
中に金属を充填した被膜を形成する（特開平２−２４０
９２２号公報）。これによって、プラズマ処理後に被エ
ッチング基板が下部電極５に貼付くのを防止できること
が報告されている。

【０００８】これらの従来技術では、個々ではダストの
発生を少なくしたり、下部電極５の劣化を低減すること
はできる。しかし、上記したエッチング中に温度が上昇
しエッチング特性の信頼性や安定性を悪化させること
や、ハンドリングによってダストが発生することを同時
に解決することができない。

【０００９】また、クランプ型では、被エッチング基板
が大きくなると、裏面に導入したヘリウム（Ｈｅ）ガス
の圧力によって被エッチング基板に反りが生じてしまう
という欠点を解決することができない。

【００１０】一方、静電吸着型は吸着させるためには、
きわめて高い直流電圧を印加しなければならない。この
ためには、下部電極５の表面に形成する絶縁材料とし
て、高耐圧でかつ漏れ電流の少ないものが必要となる。
しかし、現在半導体分野で用いられている多くの絶縁材
料はエッチング雰囲気に曝されると浸食されやすい。こ
のためプラズマエッチング装置としての信頼性が低下し
てしまう。

【００１１】本発明は、簡便な構造で、エッチング特性
の安定した、信頼性の高いプラズマエッチング装置を提
供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明のプラズマエッチング装置用電極は、導電
性部の表面粗さが１μｍ以下で、かつ前記導電性部を陽
極酸化し、その表面粗さが１μｍ以下である陽極酸化膜
が前記導電性部上に設置されており、前記陽極酸化膜上
に被エッチング基板が設置されている。

【００１３】上記問題点を解決するために、本発明のプ
ラズマエッチング装置は、高周波電力が印加される導電
性部と、前記導電性部を陽極酸化した陽極酸化膜が前記
導電性部上に設置された下部電極と、前記陽極酸化膜上
に被エッチング基板が設置されており、前記下部電極と
相対した位置で接地して設けられた上部電極と、前記下
部電極の下部に被エッチング基板を冷却する冷媒が注入
され、前記高周波電力を印加しエッチングが行われる
際、前記下部電極と前記被エッチング基板とが静電吸着
され、前記エッチング中に前記冷媒の温度と前記被エッ
チング基板の温度との温度差がほぼ２０℃以下の値で一
定となる。

【００１４】

【作用】本発明の構成により、被エッチング基板と下部
電極の間に表面平滑度の高い絶縁膜が挟まれるため、プ
ラズマの陰極降下によりわずかに帯電した被エッチング
基板が弱く下部電極に吸着する。このとき、電極表面の
平滑度がよいため、弱い吸着でも接触面積が大きく、熱
伝導がきわめてよくなる。複雑な機構なしで、被エッチ
ング基板の温度コントロールが可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明のプラズマエッチング装置の第
１の実施例について、図面を参照しながら説明する。図
１（ａ）は、本発明のプラズマエッチング装置の断面構
造図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の円２０で囲ん
だ部分の拡大図である。エッチング室２１は、たとえ
ば、アルミニウム合金などの金属で形成されている。エ
ッチング室２１内の雰囲気は、排気口２２から排気され
真空状態にされる。下部電極台２３は、エッチング室２
１の底部に形成されている。下部電極台２３は、たとえ
ば、アルミナセラミクス等の絶縁材料の誘電体からな
る。下部電極台２３の上に下部電極２４が設置されてい
る。下部電極２４は、内部が空洞になっている。この空
洞には、冷媒入口２５から冷媒２６が注入される。さら
に冷媒２６は下部電極２４を冷却し、冷媒出口２７から
排出される。この循環を繰り返し、エッチング中でも下
部電極２４を冷却し、温度上昇を防止する。冷媒２６は
下部電極台２３の内部を通り、下部電極２４に達する。
下部電極２４の上には、被エッチング基板２８が置かれ
ている。エッチング室２１内の上面に、下部電極２４と
相対して上部電極２９が形成されている。上部電極２９
は、たとえばアルミニウム合金等の金属で形成されてい
る。エッチング室２１の上部のガス入口３０からガスが
上部電極２９内に導入される。このガスが上部電極２９
の底部に設けられたガス分散穴３１よりエッチング室２
１内に放出される。また、下部電極２４には、高周波電
力印加点３２で高周波電力源３３と電気的に接続されて
いる。高周波電力源３３の片方とエッチング室２１とは
接地３４され、接地電位に保たれている。このようにし
て高周波電力源３３から高周波電力を印加すると、エッ
チング室２１および上部電極２９と下部電極２４との間
にプラズマが生成される。

【００１６】下部電極２４は、図１（ｂ）に示すよう
に、アルミニウム部３６とその上に形成された陽極酸化
膜部３７との二層構造で形成されている。本実施例で
は、アルミニウム部３６の表面３８を研磨して、表面粗
さを１μｍ以下に仕上げた後に、陽極酸化法により陽極
酸化膜を成長させ、さらに陽極酸化膜部３７の表面３９
を研磨して、表面粗さを１μｍ以下に仕上げている。こ
こで、研磨はダイヤモンド研磨粉を用いたラッピング法
によって行った。

【００１７】この二層構造のアルミニウム部３６には高
周波電力が印加される。一方、この二層構造の陽極酸化
膜部３７は被エッチング基板２８とアルミニウム部３６
とを電気的に絶縁している。アルミニウム部３６に高周
波電力が印加されると、上部電極２９と下部電極２４と
の間にプラズマが生成される。このとき、下部電極２４
に接して、高周波の印加電力によって決まるシースが形
成される。このシース領域内にはほぼ直流電位が印加さ
れている。シース領域にプラズマ中の荷電粒子（イオ
ン、電子等）が入ると、直流電位がそれらの荷電粒子を
加速させる。この直流電位は、下部電極２４の電位より
プラズマ側の電位の方が高電位となる。このため下部電
極２４上に設置された被エッチング基板２８には負の極
性をもつ荷電粒子が入射する。このようにして下部電極
２４上の被エッチング基板２８は負に帯電される。被エ
ッチング基板２８が負に帯電されると同時に、それと同
量の正の電荷が被エッチング基板２８の下の陽極酸化膜
部３７の表面に誘起される。このようにして被エッチン
グ基板２８は負に、陽極酸化膜部３７は正に帯電する。
この両者の間で静電気力が発生する。この静電気力によ
って被エッチング基板２８は下部電極２４に吸着され
る。また本実施例ではアルミニウム部３６の厚さは約１
ｃｍである。陽極酸化膜部３７の厚さは約６０μｍであ
る。アルミニウム部３６の厚さは、エッチングにおける
一連の操作に対して耐えうる機械的強度と設計上の配慮
との関係によって決まる。

【００１８】一方、陽極酸化膜部３７の厚さは表面温度
で決まる。すなわちその厚さが厚くなれば、被エッチン
グ基板２８の表面温度が高くなっても、ある温度に維持
することができる。ただし、その厚さが１２０μｍ以上
になると、現在の技術では陽極酸化膜部３７にクラック
が入ったりエッチングを行った際に母材が溶解し、エッ
チングの信頼性が低下する。また、その厚さが薄いと被
エッチング基板２８の温度上昇と同じように上昇し、エ
ッチング特性にばらつきが生じる。

【００１９】プラズマエッチングでは、通常、被エッチ
ング基板２８の温度がエッチング中に上昇するが、表面
粗さを１μｍ以下に仕上げることにより、被エッチング
基板２８の表面温度をきわめて精度よくコントロールす
ることができる。

【００２０】エッチング中の被エッチング基板２８の温
度について、図面を用いて、さらに詳細に説明する。エ
ッチング基板の温度測定には光ファイバー温度計を用い
た。光ファイバー温度計は、光ファイバーの先端に蛍光
物質を配し、そこにレーザーパルスを当てて、蛍光物質
が蛍光する蛍光感知時間を測定する。この蛍光感知時間
から温度を導出する方法である。図２は、アルミニウム
合金膜をエッチングしたときの、エッチング時間に対す
る冷媒２６の温度と被エッチング基板２８の温度との差
を示している。この時のエッチング条件は、たとえばＢ
Ｃｌ₃ を６０ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ を３０ｓｃｃｍ流し、圧
力をたとえば２００ｍＴｏｒｒに保ち、高周波電力、た
とえば１３.５６ＭＨｚで２Ｗ／ｃｍ² の電界密度で印
加している。被エッチング材料は、アルミニウム合金
で、たとえば１％のシリコンとたとえば０.５％の銅と
を含んだものを用いた。実線２１は、表面粗さを１μｍ
以下に仕上げた下部電極を使用したときの、被エッチン
グ基板２８の温度特性を示している。表面粗さを１μｍ
以下に、下部電極を構成するアルミニウム部３６と陽極
酸化膜部３７との両方について処理されている。実線２
２は、アルミニウム部３６と陽極酸化膜部３７との両方
の表面粗さが４μｍである下部電極を用いた場合の被エ
ッチング基板２８の温度特性を示している。点線２３
は、表面仕上げを特に行なわなかった、すなわちアルミ
ニウム部３６と陽極酸化膜部３７との両方の表面仕上げ
を行わなかった下部電極を使用したときの、被エッチン
グ基板２８の温度特性を示している。なお、表面仕上げ
を行なわないときの表面粗さは、アルミニウム部３６と
陽極酸化膜部３７との両方の表面粗さの合計がおよそ１
０μｍ程度である。

【００２１】また、陽極酸化膜の厚さは１μｍの表面仕
上げをしたものが６２μｍ、４μｍの表面仕上げをしな
かったものが６１μｍ、表面仕上げを行わなかったもの
はおよそ６０μｍである。ここでは冷媒２６として恒温
槽から約２０℃の水を下部電極２４下に循環している。

【００２２】図２で表面仕上げが１μｍの下部電極２４
を有する本発明のエッチング装置では、エッチングを開
始して３０秒後に温度差５０℃（被エッチング基板温度
７０℃）まで上昇する。それ以後は、エッチング開始時
から１８０秒まで６２℃（被エッチング基板温度７６
℃）とほぼ一定の温度を保っている。これに対して、表
面仕上げを行なわない従来の下部電極を取り付けた場合
は、エッチングを開始してから１８０秒たっても安定せ
ず、しかもその温度差は１１０℃（被エッチング基板１
３０℃）まで上昇している。また、表面仕上げが４μｍ
の下部電極２４では、表面仕上げを全く施さなかった下
部電極２４より被エッチング基板２８の温度上昇が抑え
られている。しかし、この場合でも表面粗さを１μｍに
仕上げた下部電極２４の場合よりその温度上昇は大き
い。この理由として、下部電極２４の表面粗さを１μｍ
以下にすることで、被エッチング基板２８との接触面積
が増え、被エッチング基板２８と下部電極２４の熱伝達
がよくなったことを示している。

【００２３】次に、第２の実施例として、陽極酸化膜の
効果について図面を用いて説明する。

【００２４】図３は、陽極酸化膜部３７の膜厚と、被エ
ッチング基板２８を１８０秒間エッチングしたときの電
極冷媒２６と被エッチング基板２８との温度差の関係を
示したものである。縦軸の表示や、エッチング条件は図
２と全く同じである。なお、図３に示した特性は、表面
粗さを１μｍ以下に仕上げた下部電極２４によるもので
ある。図３より、陽極酸化膜厚の増加とともに温度差の
上昇が抑えられていることがわかる。陽極酸化膜厚が９
０μｍ以上になると、およそ温度差は２０℃（被エッチ
ング基板の温度４０℃）で一定となる。これは、陽極酸
化膜の厚さが増加するとともに、下部電極２４と被エッ
チング基板２８との間での熱交換がより良好になるため
である。また、温度差の上昇が陽極酸化膜部３７の特定
の厚さ以上で一定となっているのは、下部電極２４や被
エッチング基板２８そのものの熱抵抗により上昇したも
のである。すなわち、エッチングが行なわれていくと、
下部電極２４と被エッチング基板２８との両方にプラズ
マによって熱が蓄積される。このとき、下部電極２４は
つねに電極冷媒２６によって冷却されている。このよう
に下部電極２４に対して一方からある熱が一定に供給さ
れ、他方から別の熱が一定に供給されると、それらの熱
の熱量が均衡する点が存在する。この均衡した点が、図
３では温度差２０℃となる。

【００２５】陽極酸化膜厚０は、全く陽極酸化を行わな
い下部電極を意味している。この場合も、アルミニウム
部３６の表面を表面粗さ１μｍ以下に仕上げている。こ
の場合、被エッチング基板２８の温度差は１４０℃（被
エッチング基板の温度１６０℃）まで上昇している。

【００２６】このように下部電極２４の表面粗さを１μ
ｍにすると、まず、陽極酸化膜部３７によって、下部電
極２４が被エッチング基板２８やプラズマと絶縁され
る。これによってプラズマの陰極降下で帯電した被エッ
チング基板２８は静電吸着される。すなわち、プラズマ
の陰極降下により被エッチング基板２８が帯電し、陽極
酸化膜部３７をはさんでアルミニウム部３６との間に電
位差を生じる。この電位差によって、被エッチング基板
２８が下部電極２４表面に静電吸着する。このように下
部電極２４と被エッチング基板２８とが静電吸着する
と、その両者の熱伝達がよくなり、他の表面粗さの場合
よりも低い温度差で安定化する。

【００２７】陽極酸化膜厚の増加とともに熱抵抗が小さ
くなり、電極冷媒２６と被エッチング基板２８との温度
差が小さくなっている理由は、陽極酸化膜部３７の厚さ
が増加するにつれて陽極酸化膜の漏れ電流が少なくなる
からである。漏れ電流が少なくなると、帯電している電
荷量がより多く保持され、結果的に静電吸着効果が高く
なる。

【００２８】本実施例は、陽極酸化膜厚が９０μｍ以上
あれば、きわめて温度のコントロール特性がよくなるこ
とを示している。ところで、陽極酸化法では、ある程度
以上成長膜厚が厚くなると母材であるアルミニウムの溶
解が始まり、膜質がきわめて悪化するので、陽極酸化膜
の厚さの上限はおよそ１２０μｍである。

【００２９】以上のようなプラズマエッチング装置用の
電極を用いて、プラズマを発生させ、所望のエッチング
を被エッチング基板に施す。エッチング終了と同時に、
高周波電力は徐々にその電力を低下させてエッチングを
終了する。

【００３０】ここで高周波電力を徐々に低下させるの
は、エッチング終了と同時にその電力を切断すると、従
来の技術の静電吸着型で説明したように、被エッチング
基板が下部電極に吸着してしまい、被エッチング基板を
取り出すことができないためである。本実施例に示した
ように、高周波電力を徐々に低下させることで、被エッ
チング基板と下部電極とが吸着しているのをスムーズに
取り出せるようになる。

【００３１】このように、本実施例のプラズマエッチン
グ装置は、簡便な構造で、被エッチング基板２８の表面
に接触することなく、きわめて高精度な被エッチング基
板２８の温度コントロールを可能にするものである。こ
のため特に、超ＬＳＩの製造工程に本実施例のエッチン
グ装置を用いれば、きわめて高精度の微細加工が実現で
き、歩留まりの向上が図れる。

【００３２】また、アルミニウムの陽極酸化によって得
られる絶縁膜を用いることにより被エッチング基板２８
の温度コントロールが容易に実現できる。さらにはアル
ミニウムの陽極酸化によって得られたアルミナを用いて
いるため、エッチング雰囲気に曝しても浸食が少なく、
プラズマエッチング装置としての信頼性がきわめて高
い。

【００３３】さらに、本実施例によりエッチング特性の
精度が向上することはもちろん、電極冷媒の温度を低温
化することにより、被エッチング基板２８の温度をも低
温化できる。このためエッチング特性が良好であるとい
われる極低温エッチングを行うことも可能となる。

【００３４】以上、本発明の２つの実施例について述べ
てきたが、被エッチング基板２８を乗せる電極の絶縁膜
はアルミナに限ったものではなく、表面平滑度が十分得
られて絶縁性の良好な膜であればよい。また、エッチン
グ条件も、これに限ったものではなく、他のガス、圧
力、印加電力でもよい。被エッチング基板２８もこの限
りでない。

【００３５】

【発明の効果】本発明のプラズマエッチング装置によれ
ば、被エッチング基板の温度をきわめて高精度に制御で
きるため、エッチング特性の安定化が図れる。また、ク
ランプ式と異なり、ウエハ押えが必要ないので、被エッ
チング基板の表面とその他の材料とが非接触であり、汚
れや傷が少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマエッチング装置の断面構造図

【図２】エッチング時間に対する冷媒温度と被エッチン
グ基板との温度差の関係を示す図

【図３】陽極酸化膜部の膜厚に対する冷媒温度と被エッ
チング基板との温度差の関係を示す図

【図４】従来のプラズマエッチング装置の断面構造図

【符号の説明】

２４下部電極２８被エッチング基板３６アルミニウム部３７陽極酸化膜部３８，３９表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性部の表面粗さが１μｍ以下で、かつ
前記導電性部を陽極酸化し、その表面粗さが１μｍ以下
である陽極酸化膜が前記導電性部上に設置されており、
前記陽極酸化膜上に被エッチング基板が設置されている
ことを特徴とするプラズマエッチング装置用電極。
【請求項２】前記導電性部に高周波電力が印加されてい
ることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング
装置用電極。
【請求項３】前記陽極酸化膜の膜厚が９０μｍ〜１２０
μｍであることを特徴とする請求項１記載のプラズマエ
ッチング装置用電極。
【請求項４】前記導電性部がアルミニウムであることを
特徴とする請求項３記載のプラズマエッチング装置用電
極。
【請求項５】高周波電力が印加される導電性部と、前記
導電性部を陽極酸化した陽極酸化膜が前記導電性部上に
設置された下部電極と、前記陽極酸化膜上に被エッチン
グ基板が設置されており、前記下部電極と相対した位置
で接地して設けられた上部電極と、前記下部電極の下部
に被エッチング基板を冷却する冷媒が注入され、前記高
周波電力を印加しエッチングが行われる際、前記下部電
極と前記被エッチング基板とが静電吸着され、前記エッ
チング中に前記冷媒の温度と前記被エッチング基板の温
度との温度差がほぼ２０℃以下の値で一定となることを
特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項６】前記導電性部の表面粗さが１μｍ以下で、
かつ前記陽極酸化膜の表面粗さが１μｍ以下であること
を特徴とする請求項５記載のプラズマエッチング装置。
【請求項７】前記陽極酸化膜の膜厚が９０μｍ〜１２０
μｍであることを特徴とする請求項６記載のプラズマエ
ッチング装置。
【請求項８】前記エッチングを終了する際、前記高周波
電力を徐々に低下させ、静電吸着している前記被エッチ
ング基板を前記下部電極から離れさせることを特徴とす
る請求項５記載のプラズマエッチング装置。