JPH0624187B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマを利用して半導体基板を処理するプ
ラズマ処理装置に関する。

（従来の技術） 近年半導体処理装置として、プラズマＣＶＤ装置、プラ
ズマエッチング装置、スパッタリング装置等のプラズマ
を利用した半導体処理装置が広く普及している。

例えばプラズマエッチング装置では、エッチング槽内に
反応気体を導入してこの反応気体をプラズマ状態に励起
させ、発生した活性成分と基板例えば半導体ウエハ上の
処理対象物とを反応させてエッチング処理を行なう。以
下に、プラズマ処理装置の一例としてこのプラズマエッ
チング装置について説明する。

第６図は平行平板型電極を有するプラズマエッチング装
置を示しており、気密を保持するエッチング槽１内に半
導体ウエハ２の載置台ともなる下部電極３と、この下部
電極３と対向して高周波電極４が配置されている。高周
波電極４は反応気体の導入管として作用するような構造
となっており、その下端部の電極部４ａには多孔質部材
を用いている。

このようなプラズマエッチング装置では、エッチング槽
１内の雰囲気を真空ポンプ５により高真空例えば10^-6To
rrとした後、エッチング槽１内に反応気体源６から反応
気体例えばアルゴンガスをエッチング槽１内に導入して
エッチング槽１内をエッチング処理に必要な真空度例え
ば10¹ 〜10^-2Torrに保持する。

次に高周波電極４に高周波電力７を印加して反応気体を
プラズマ化させ、このガスプラズマ８の反応成分により
エッチング処理を行なう。

とろこで上述したようなプラズマエッチング装置では、
下部電極３上に直接半導体ウエハ２が当接する構造であ
るので、半導体ウエハ２と下部電極３との密着性が不十
分であると半導体ウエハ２と下部電極３間に間隙が生じ
てしまい、この間隙により電気的結合性や熱伝導性の低
下を招く恐れがある。

電気的結合性の低下は、処理効率の低下例えばプラズマ
エッチング装置ではエッチング処理率（以下エッチング
レート）の低下や処理むら発生等の原因となり、熱伝導
性の低下は半導体ウエハの温度上昇を招きウエハに塗布
されているフォトレジストを軟化させてエッチング処理
中に剥離し易くしてしまうという問題がある。

そこで従来のプラズマエッチング装置では下部電極の上
面を平坦にして半導体ウエハとの密着性を向上させてい
た。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、半導体ウエハはその製造工程においてわずか
ながらの歪が発生し、しかもこの歪は半導体ウエハ個々
により異なるため、下部電極上面を平坦にしてもこの歪
により半導体ウエハと下部電極間には少なからず間隙を
生じてしまい完全な密着ができないという問題があっ
た。

これを解決するために、第７図に示すように下部電極３
の半導体ウエハ２との接触面３ａをゆるやかな凸状に形
成するとともに、半導体ウエハ２の固定機構として下部
電極３上方にこれと平行に内径が半導体ウエハ２の径よ
りも若干小さいウエハ固定用のリング体（以下クランプ
リング）９を昇降自在に設け、このクランプリング９を
下降させて半導体ウエハ２周縁部を下部電極３に押圧し
て密着性を高めようとするウエハ固定機構を備えたもの
がある。

しかしながら、上述したウエハ固定機構では半導体ウエ
ハ２の歪の曲率と下部電極上面３ａの曲率とが大きく異
なる場合には充分に対応しきれなくなり、また半導体ウ
エハ周縁部のみをクランプリング９で押圧する構造であ
るため、半導体ウエハ固定時にウエハ周縁部からの応力
が中央部に集中して第８図に示すように半導体ウエハ２
が上方に向って弧状に反り、ウエハ２中央部と下部電極
２間に空隙１０が生じてしまう。このような状態でエッ
チング処理をした半導体ウエハ２は第９図に示す如く、
ウエハ中央部２ａが青色を、ウエハ外周部２ｂが緑色を
呈する。これはウエハ中央部２ａがウエハ外周部２ｂに
くらべエッチングレートが小さく、均一な処理がなされ
ていないことを示している。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、電極と被処理基板との当接面の密着性を向上させる
ことで電気的結合性や熱伝導性を向上させて均一性が良
くしかも処理効率が高いプラズマ処理が可能となるプラ
ズマ処理装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ発生源を備えた
気密容器内に電極を配置し、この電極面に被処理基板を
当接させてプラズマ処理を行なうように構成されたプラ
ズマ処理装置において、前記電極は、前記被処理基板と
の当接面が凸状に形成され、かつ、この当接面に導電性
シリコンラバーが配設されており、この電極の上方に配
置された基板押圧リング体によって前記被処理基板の周
縁部を該電極に押圧するよう構成されていることを特徴
とする。

導電性シリコンラバーの厚みは、0.2mm 程度のものが好
適である。また、電極と導電性シリコンラバーの取付け
手段としては、硬化後も弾性を有する導電性接着剤を用
いた接着や、熱圧着等の手段がよい。

（作 用） 電極上に樹脂膜を設けることにより、被処理基板を電極
に密着させることができ、電極への熱伝導性が向上する
ことにより、均一なプラズマ処理を被処理基板に対して
行なうことができる。

また、電極面を凸状に形成して、被処理基板を当接し、
基板押圧リングにより被処理基板周縁部を押圧すること
により、被処理基板は電極面にそって湾曲し、より密着
度の高い状態で保持されるので、さらに熱伝導性が向上
し、均一なプラズマ処理を行うことができる。

また、冷却手段を電極内に設けることにより、被処理基
板を均一に冷却しながら均一なプラズマ処理を行うこと
ができる。

（実施例） 以下、本発明をプラズマエッチング装置に適用した一実
施例について図を参照にして説明する。

第１図および第２図はエッチング処理部を示しており、
このエッチング処理部は図示を省略した気密を保持する
エッチング槽内に設置されている。

被処理基板の半導体ウエハ２０は図示を省略した搬送装
置にてウエハカセットから取り出されてエッチング処理
部２１に搬送され円盤状の下部電極２２上に載置されて
ここでエッチング処理を受けた後再び搬送装置にて搬出
される。

下部電極２２の上方には高周波電源４０と接続された中
空円盤状の高周波電極２３が対向配置されており、この
高周波電極２３上面中心部には反応気体発生器２５で発
生した反応気体例えばアルゴンガスをエッチング槽１内
へ導入するための導入管２４が垂設されている。

高周波電極２３の下面電極部２３ａは多孔質部材例えば
メッシュ状に形成されたカーボンにより形成されてお
り、反応気体導入管２５から導入された反応気体がこの
下面電極部２３ａを通過して下部電極２２上に載置され
た半導体ウエハ２０上に達するような構造としている。

下部電極２２の側面下方には口字状断面の環状中空体で
ある反応気体排気管２６が下部電極２２上面と段差を付
けて配設されており、その上面部には多数の排気孔２７
が同心円状に一定間隔で穿設されている。反応気体排気
管２６外周の一部からは、多数の排気管２７から導入さ
れた使用済反応気体を真空ポンプ２８へ導くための配管
２９が設けられている。

半導体ウエハ固定機構として、下部電極２２上方に半導
体ウエハの径よりも若干小さい内径を有したリング状の
クランプリング３０が配置されており、このクランプリ
ング３０は下部電極２２円周部にそって等間隔に設けら
れた４本のクランプリング支持棒３１にて支持されてい
る。４本のクランプリング支持棒３１は下部電極２２下
方に配置されたクランプリング昇降用駆動機構であるエ
アシリンダ３２に接続されており、このエアシリンダ３
２の作用によりクランプリングが昇降可能となってい
る。

下部電極２２は直径約200mm 、厚さ約10mmの円板状をし
ており、その上面中央部には直径約 125mm、厚さ約8mm
の円盤状凸部をしたウエハ載置台２２ａが形成されてい
る。このウエハ載置台２２ａ上面は半導体ウエハ２０と
の密着性を良好にするためになめらかな凸状を有してい
る。下部電極２２の材料には導電性、熱伝導性に優れた
金属材例えばアルミニウム等が用いられている。

このウエハ載置台２２ａ上面にはウエハ載置台２２ａと
ほぼ同径又はより大きく、厚さ約 0.2mmのカーボンを含
有した導電性シリコンラバー３３が貼着されている。導
電性シリコンラバー３３とウエハ載置台２２ａとの貼着
手段として本例では硬化後も弾性を有する導電性合成樹
脂系の接着剤による熱圧着とした。

導電性シリコンラバー３３表面には格子状の浅溝３３ａ
が形成されており、さらに中央部にはウエハ押し上げピ
ン昇降用の孔３３ｂが４ケ所に穿設されている。

このウエハ押し上げピン昇降用の孔３３ｂは、下部電極
２２を貫通して押し上げピン上下駆動機構であるエアシ
リンダ３４に接続されているウエハ押し上げピン３５の
昇降用のもので、エッチング処理の終了した半導体ウエ
ハ２０を下面から押し上げピン３５により押し上げて導
電性シリコンラバー３３から離間させる構造としてい
る。

下部電極２２の半導体ウエハ２０裏面に対向する位置に
は、エッチング処理中に半導体ウエハ２０を冷却するた
めの環状の冷却水循環用配管３６が埋設されており、エ
ッチング処理中にこの冷却水循環用配管３６内に冷却水
導入装置３７から低温例えば15℃の冷却水が導入され
る。

このようなプラズマエッチング装置のウエハ固定動作に
ついて第３図を参照にしながら説明する。

まずウエハ押し上げピン３５が上昇している状態（第３
図（ｃ））で図示を省略したウエハ搬送装置により半導
体ウエハ２０をウエハ押し上げピン３５上に載置した
後、ウエハ押し上げピン３５を下降させる（第３図
（ａ））。この状態では、ウエハ載置台２２ａ上面がゆ
るやかな凸状をしているため周縁部に半導体ウエハとの
間隙が生じるが、クランプリング９が下降して半導体ウ
エハ２０周縁部をウエハ載置台２２ａに押圧することで
この間隙はなくなる（第３図（ｂ））。このとき従来の
ウエハ固定機構では、半導体ウエハ固有の歪やウエハ載
置第２２ａ表面の加工精度の問題、クランプ圧力による
ウエハ中心部への応力の発生等から半導体ウエハ２０と
ウエハ載置台２２ａ間に少なからず間隙が生じ、この間
隙により電気的結合性や熱伝導性が低下してエッチング
の処理むらや、処理効率の低下を招いてしまうが、本例
では弾性に優れた導電性シリコンラバー３３をウエハ載
置台２２ａ上に貼着しているため密着性が向上し、この
ような間隙の発生がなくなり半導体ウエハ２０とウエハ
載置台２２ａ間の電気的結合や熱伝導性が非常に優れた
ものとなっている。

さて、エッチング作業終了後はクランプリング９を上昇
させたあと、ウエハ押し上げピン３５を上昇させ半導体
ウエハ２０をウエハ載置台２２ａから押し上げる。（第
３図（ｃ））。通常エッチング処理は高温環境下で行な
われるため、半導体ウエハ２０は高温例えば約 100℃ま
で上昇し、半導体ウエハ２０と導電性シコンラバー３３
が融着してしまい半導体ウエハ２０の導電性シリコンラ
バー３３からの離間が困難となる恐れがあるが、本例で
は導電性シリコンラバー３３表面に格子状の浅溝３３ａ
を形成しているためこのような問題は発生しない。な
お、この浅溝３３ａは第３図（ｂ）で示したように半導
体ウエハ２０固定時には完全につぶされて隙間の発生が
生じない程度のものであることは無論である。

上述実施例のプラズマエッチング装置を用いて実際に実
験をしたので以下に説明する。

実験は、導電性シリコンラバーを使用していない装置、
本例のカーボン含有の導電性シリコンラバーを用いた装
置の２種類について行なった。また、実験に際しては装
置構造はもちろんのこと、使用電極の部材および形状、
反応気体の種類、電源出力値、真空度等のエッチング処
理条件は全て同一とした。供給電源としては、エッチン
グ対象物が酸化膜であったため、380kHzの高周波電源を
用いている。もちろんエッチング対象物により最適な電
源周波数は異なる。

以下表１に示す実験条件のもとに実験を行ない表２に示
す結果を得た。

この実験結果から判明したことは、導電性シリコンラバ
ーを使用した場合には、これを使用しない場合に対し、 (1)エッチングレートが469Å／分 (2)Siエッチレートが-154Å／分 (3)Si選択比が6.3 (4)半導体ウエハ上面温度が約-20℃ の向上がはかれ、明らかに導電性シリコンラバーの効果
が現れた。さらにエッチング作業中の半導体ウエハ上面
部の温度分布がほぼ均一になった。

上記実験結果から考えられることは、導電性シリコンラ
バーにより半導体ウエハと下部電極との密着性が大幅に
向上した結果、（イ）半導体ウエハと下部電極間との電
気的結合が良好になって半導体ウエハと対向電極間の電
界の強さが均一となり処理効率が向上したこと、（ロ）
半導体ウエハと下部電極間の熱伝導性が良好になり、冷
却効果が向上したことである。またエッチング処理完了
後における半導体ウエハの導電性シリコンラバーからの
離間時に際し、半導体ウエハと導電性シリコンラバーと
の融着は認められず、導電性シリコンラバーを貼着して
いない装置と何らかわりなく容易に離間可能であった。
これは導電性シリコンラバー上に形成した浅溝が半導体
ウエハとの融着を防止したためである。

ところで、本発明者はクランプリングの半導体ウエハに
対する押圧力についても着目し、クランプリングの押圧
力変化とエッチングレートの関係を求めるために実験を
行なったので以下に説明する。実験は前述実施例の装置
を用いて以下の表３に示す実験条件下で行なった。測定
はクランプ圧力を10kgf（クランプリング支持棒１本当
り2.5kgf）、27kgf（同 6.75kgf）、42kgf（同10.5kg
f）、について行い、結果を第４図に示す。

第４図において、Ｘ軸におけるａ、ｂおよびｃは半導体
ウエハ周縁部の一点をａとし、半導体ウエハ中心部ｂ、
ｂを通りａと対向する側の半導体ウエハ周縁に設けた点
をｃとし、これらａ→ｂ→ｃ線上におけるエッチングレ
ートをＹ軸にとっている。

実験結果から判明することは、（イ）クランプ圧が大き
くなる程エッチングレートが低下すること、（ロ）クラ
ンプ圧が27kgfと42kgfのときに半導体ウエハ中心部のエ
ッチングレートの低下が顕著であること、（ハ）クラン
プ圧が10kgfのときが最も均一なエッチングができるこ
とである。

これら原因はクランプ圧が大きくなりすぎると、半導体
ウエハ２０が上方へ向って弧状に反り、半導体ウエハ中
心部と導電性シリコンラバー３３間に間隙が生じるため
である。従って、厚さが630μｍの5インチウエハの場合
にはその周縁部を10kgfで押圧する方法が最も効率的で
あることが判明した。

ところで本発明に使用する導電性合成樹脂膜は柔軟性に
優れているもの程密着性が良くなり好ましいが、ウエハ
固定時にクランプリング押圧部即ち導電性合成樹脂膜周
縁部に応力が加わり皺が発生し易くなり、この皺により
空隙が生じる可能性がある。

本発明の他の実施例として第５図に示すように、ウエハ
載置台２２ａ上部に半導体ウエハ２０よりも若干小さな
径で深さが導電性合成樹脂膜とほぼ同じ凹部４０を形成
し、この凹部４０に導電性合成樹脂膜４１を装着するこ
とにより（第５図（ａ））、ウエハ固定時における導電
性合成樹脂膜４１外周部に対する応力をウエハ載置台２
２ａに吸収させて皺の発生を減少させることができる
（第５図（ｂ）。尚、本発明に使用する導電性樹脂体と
しては、導電性テフロンや導電性シリコンゴムや導電性
弗素系ゴム等、弾性、熱伝導性、電気伝導性に優れたも
のであればいずれでもよい。

また、本発明はプラズマＣＶＤ、ＥＣＲエッチング、ス
パッタリング装置等、電極と被処理基板が当接し、プラ
ズマ雰囲気を設ける構造のものであればいずれにも適用
可能である。またプラズマの雰囲気は高周波放電に限ら
ずマイクロ波放電、直流放電によって形成してもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のプラズマ処理装置によれ
ば、処理対象物と下部電極との密着性が向上するので、
電気的結合性や熱伝導性が向上し、均一性が良くしかも
処理効率の高いプラズマ処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した一実施例であるプラズマエ
ッチング装置のエッチング処理部を示す斜視図、第２図
は第１図の縦断面図、第３図はウエハ固定機構の動作を
示す断面図、第４図はクランプ圧とエッチングレートの
関係を示す図、第５図は他の実施例のウエハ固定機構を
示す図、第６図はプラズマエッチング装置の概念的な構
成を示す断面図、第７図および第８図は従来のウエハ固
定機構を示す断面図、第９図は従来装置によりエッチン
グ処理した半導体ウエハの表面の処理状態を示す図であ
る。 ２０……半導体ウエハ、２１……エッチング処理部、２
２……下部電極、２２ａ……ウエハ載置台、２３……対
向電極、３０……クランプリング、３１……クランプリ
ング支持棒、３２……エアシリンダ、３３……導電性シ
リコンラバー、３３ａ……浅溝、３４……エアシリン
ダ、３５……ウエハ押し上げピン、４０……凹部、４１
……導電性合成樹脂膜。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−87667（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−54327（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−73928（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ発生源を備えた気密容器内に電極
   を配置し、この電極面に被処理基板を当接させてプラズ
   マ処理を行なうように構成されたプラズマ処理装置にお
   いて、 前記電極は、前記被処理基板との当接面が凸状に形成さ
   れ、かつ、この当接面に導電性シリコンラバーが配設さ
   れており、 この電極の上方に配置された基板押圧リング体によって
   前記被処理基板の周縁部を該電極に押圧するよう構成さ
   れていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】前記導電性シリコンラバーは、表面に僅か
   な凹凸が形成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】前記導電性シリコンラバーは、導電性接着
   剤を用いた接着または熱圧着によって前記電極に貼着さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   プラズマ処理装置。