JPH06244144A

JPH06244144A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH06244144A
Application number: JP4999393A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Deguchi; 洋一出口; Satoshi Kawakami; 聡川上
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1994-09-02
Anticipated expiration: 2015-05-15
Also published as: JP3040630B2

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ処理後の真空引きに要する時間を短
縮できるとともに、残留電荷の発生を抑えて被処理体の
損傷や破損を未然に防止することのできる構造を備えた
プラズマ処理装置を提供することにある。【構成】静電チャック４０と被処理体５０との間に熱
伝達用気体を給排する手段を設け、この手段は、プラズ
マ処理中には給気状態に、そして、プラズマ処理後は排
気状態にそれぞれ設定されることを特徴としている。従
って、熱伝達用気体を排気することで被処理体と静電チ
ャックとの間に水分が残留したりチャンバ内に残留する
ことが防止されて被処理体の帯電防止そして真空引きの
時間短縮が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
し、特に、プラズマ処理される半導体ウエハ等の被処理
体を固定保持するための載置台に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、プラズマエッチング装置
等を用いる半導体素子製造プロセスでは、そのプロセス
を実行される半導体ウエハ等の被処理体を所定の位置に
保持させておく必要がある。このため、例えば、真空雰
囲気下でプラズマ処理が行われる平行平板型のプラズマ
エッチング装置の場合でいうと、被処理体は対向する電
極の一方側に位置する載置台上で静電チャックにより固
定されるようになっている。

【０００３】この静電チャックは、絶縁層を介して対向
配置された被処理体と電極との間に電圧を与えることで
被処理体と電極とに正・負の電荷を生じさせ、この間に
働くクーロン力によって被処理体を吸着保持することを
原理としている。

【０００４】そしてこの種、静電チャックの構造として
は、例えば、金属製のチャック本体と被処理体との間に
静電吸着シートを配置したものがある。静電吸着シート
は、例えば、２枚のポリイミド等の絶縁性材料の間に銅
等の導電性シートを電極部として介在させて構成されて
いる。

【０００５】一方、この種の装置では、例えば、プラズ
マエッチング装置に用いられる載置台においては、エッ
チング特性を向上させるために被処理体が所定温度に維
持されるようになっている。このため、載置台には、例
えば、液体窒素等を用いた冷却用の温調部が内蔵されて
おり、温調部からの熱を載置台および静電チャックを介
して被処理体に伝達するようになっている。

【０００６】しかしながら、このような構造では、載置
台上に位置する静電チャックと被処理体との間の吸着関
係は良好に得られる反面、実際の半導体ウエハと絶縁性
の静電吸着シートとの接触面積は僅かである場合が多
く、熱伝達特性を良好に得ることができなかった。

【０００７】そこで、従来では、静電チャックの静電吸
着シートに多数の開口を形成し、この開口を介して被処
理体と静電吸着シートとの間に例えばＨｅガス等の気体
を充填することが行なわれている。このような気体の充
填によって、被処理体との間の熱伝達を均一化させるこ
とができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、この種プラ
ズマ処理装置では、特に、載置台を冷却して被処理体の
プラズマ処理を行なう超低温処理状態から処理室内を常
温に戻す場合に次ぎのような問題があった。

【０００９】すなわち、被処理体と静電吸着シートとの
間に充填されるＨｅガス等の気体は、例えば、供給源側
に設けられているタンク内で水分が混入していることが
ある。このため、水分は低温条件下でプラズマ処理が行
なわれているときには貯留部や通路中で凝結しているも
のの、常温に戻されるに従って水成分（Ｈ₂Ｏ）に復帰
する。従って、この水成分が貯留部内壁面に留っていれ
ば問題ないが、静電チャックと被処理体との間の吸着面
に吐き出される可能性が高い。従って、吸着面に吐き出
された場合には、水成分中の水酸基（ＯＨ−、ＯＨ＋）
の存在に影響されて静電チャック表面に残留電荷が発生
する。このように静電チャックに残留電荷が発生する
と、当然のごとく、静電チャックに対向当接している被
処理体にも残留電荷が誘起されることになる。

【００１０】そこで、被処理体の取り出す場合には、こ
のような残留電荷、そして、静電チャックへの電圧印加
によって誘起した後に残留している電荷を除去して取り
出しやすくすることが必要になる。このため、従来で
は、この種装置に用いられている突き上げ部材をアース
部材とし、この突き上げ部材が被処理体を突き上げたと
きに除電することが行なわれていた。

【００１１】しかし、上記構造では、残留電荷の量が多
い場合には被処理体の突き上げ回数が増加する。従っ
て、被処理体の取出しまでに時間がかかることになり、
所謂、スルートップが悪くなる。また、これとは別に、
突き上げ回数が増加すると被処理体表面を損傷したりあ
るいは破損したりする虞れがある。また、水酸基の存在
により半導体ウエハの表面に不要な酸化膜が生成される
こともあり、これによって半導体ウエハの特性上、好ま
しくない結果を招くこともある。

【００１２】一方、Ｈｅガス等の気体を充填した場合に
は、静電チャックと被処理体との間の熱伝達を均一化で
きる反面、このような気体は充填部から外部に漏れ出す
場合もある。そして、漏れ出した場合には、常温復帰時
に発生することで気体中に含まれている水成分がプラズ
マ処理室内に飛散したりあるいは壁面に付着したりする
ことがある。

【００１３】従って、プラズマ処理室内を真空引きする
場合には、常温復帰によって発生した水成分とともに漏
洩する充填気体を除去しなければならず、これによっ
て、真空引きに要する時間が長大化することになる。し
かも、水成分の除去が完全に行なわれていないと、次に
実行されるプラズマ処理の条件に悪影響を及ぼすことに
なる。

【００１４】そこで本発明の目的は、上記従来のプラズ
マ処理装置における問題に鑑み、プラズマ処理後の真空
引きに要する時間を短縮できるとともに、残留電荷の発
生を抑えて被処理体の損傷や破損を未然に防止すること
のできる構造を備えたプラズマ処理装置を提供すること
にある。

【００１５】

【問題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、載置台上に設けられた静電
チャックにより半導体ウエハ等の被処理体を吸着保持す
るとともに、吸着保持されている被処理体の裏面に熱伝
達用気体を充填する構造を備えたプラズマ処理装置にお
いて、常軌被処理体と静電チャックとの間に熱伝達用気
体を給排する手段が設けられ、この給排手段は、プラズ
マ処理中には給気状態に設定され、プラズマ処理後に排
気状態に設定されることを特徴としている。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載のプ
ラズマ処理装置において、熱伝達用気体の給排手段は、
プラズマ処理のための真空引き実行よりも前に排気時期
が設定されることを特徴としている。

【００１７】請求項３記載の発明は、請求項１記載のプ
ラズマ処理装置において、熱伝達用気体の給排手段は、
プラズマ生成用のＲＦ電源の出力を低下させた時点に応
じて排気状態に設定されることを特徴としている。

【００１８】

【作用】本発明では、静電チャックと被処理体との間に
充填される気体の給排手段が設けられている。プラズマ
処理後に被処理体裏面から充填気体が排気されることに
より、気体中に含まれている水成分も除去されることに
なる。これによって、真空引きの際に充填気体および水
成分の除去負担が軽減される。

【００１９】また本発明では、上記排気開始時期を真空
チャンバ室が真空引きされるよりも前に設定されてい
る。従って、真空チャンバ室内が真空引きされる時点で
は、充填気体およびこれに混入している水成分が除去さ
れているので、真空引きに要する時間を長大化させるよ
うなことがない。

【００２０】ＲＦ電源の出力が低下した場合に充填気体
中に含まれている水分によって被処理体に残留電荷が発
生する虞がある。そこで、本発明では、ＲＦ電源の出力
を低下させる時点に応じて排気状態に設定することで、
充填気体と被処理体との接触を回避させることができ
る。

【００２１】

【実施例】以下、図１および図２において、本発明実施
例の詳細を説明する。

【００２２】図１は、本発明実施例によるプラズマ処理
装置の全体構造を示す断面図である。

【００２３】本実施例によるプラズマ処理装置１０は、
上部電極をなすチャンバ２０と下部電極をなす第１のサ
セプタ３０および第２のサセプタ３２と静電チャック４
０とを主要構成として備えている。

【００２４】チャンバ２０は、下部を開放した筒状の上
部チャンバ２０Ａとこのチャンバ２０Ａの下部に固定さ
れている有底筒状の下部チャンバ２０Ｂとで構成され、
内部が真空引き可能で、かつ、エッチングガスを導入さ
れる空間とされている。また、下部チャンバ２０Ｂに
は、内部にセラミックス製の有底筒体からなる断熱体２
２が装填されている。

【００２５】そして、この断熱体２２の内部には第１、
第２のサセプタ３０、３２が配置されている。

【００２６】第１、第２のサセプタ３０、３２は、上下
に積層配置されたアルミニュウム等の導電体かつ熱良導
体で形成されている。このような分割構造によれば、上
部側に位置する第１のサセプタ３０を被処理体である半
導体ウエハの大きさに応じて交換することができる。そ
して、第２のサセプタ３２には、その内部に冷却ジャケ
ット３２Ａが形成され、この冷却ジャケット３２Ａに、
例えば、液体窒素等の冷却媒体を循環させることによ
り、第１のサセプタ３０および後述する静電チャック４
０を介して被処理体である半導体ウエハ５０を−５０℃
〜−１００℃程度に冷却するようになっている。

【００２７】一方、第１のサセプタ３０の上部表面には
静電チャック４０が載置固定されている。この静電チャ
ック４０は、第１のサセプタ３０の上面に配置されてい
るフォーカスリング６０に形成された孔内に配置されて
いる。そして、静電チャック４０は、上下２枚の絶縁層
としてのポリイミドシート４２、４４の間に例えば銅等
の導電性シート４６を介在配置することにより構成され
ている。

【００２８】また、静電チャック４０には、厚さ方向に
貫通する３つの孔４０Ａ（図では２つのみ示されてい
る）が形成され、この孔４０Ａには、半導体ウエハ５０
を載置案内するためのプッシャピン７０が挿通されてい
る。

【００２９】プッシャピン７０は導電性部材で構成さ
れ、静電チャック４０および第１、第２のサセプタ３
０、３２に形成された貫通孔に挿入されて昇降自在に設
けられている。そして、上昇した場合には、その先端が
静電チャック４０の上方に突出して半導体ウエハ５０を
載置した状態で突き上げることができる。このプッシャ
ピン７０の下端７０Ａは、昇降プレート７２に固定さ
れ、昇降プレート７２の変位に応じ、図において上下動
することができる。本実施例の場合、プッシャピン７０
の下端７０Ａと下部チャンバ２０Ｂとの間にはベローズ
７４が設けてあり、プッシャピン７０の昇降通路が大気
に対して気密構造に構成されている。

【００３０】また、プッシャピン７０を上下動させる昇
降プレート７２は、例えば、駆動源をなすパルスモータ
７６と連結され、パルスモータ７６の回転力が、例え
ば、ボールネジ等の伝達部材を介して直線駆動力に変換
されたうえで上下動することができるようになってい
る。このため、パルスモータ７６に対しては、モータ駆
動部７８からのパルスが入力され、このパルスに応じて
回転駆動されるようになっている。なお、このプッシャ
ピン７０は、連結されている昇降プレート７２を介して
接地されるようになっている。そして、接地時期として
は、半導体ウエハ５０を取り出すためにプッシャピン７
０が突き上げられるときであり、これによって、半導体
ウエハ５０の残留電荷を除電することができる。

【００３１】一方、上部チャンバ２０Ａおよび下部チャ
ンバ２０Ｂは、内部が真空引きされるとともにエッチン
グガスの導入が可能な空間によりプラズマ処理空間を構
成している。このため、本実施例では、上部チャンバ２
０Ａを接地し、第１、第２のサセプタ３０、３２に対し
てはＲＦ電源８０からスイッチ８２を介してＲＦ電力を
供給するための電源電路８４が接続されることによりＲ
ＩＥ方式のプラズマエッチング装置が構成されている。
また、上部チャンバ２０Ａが接地されることで、これを
静電チャック用の他方の電極として兼用し、プラズマ生
成時にはこのプラズマを通して半導体ウエハ５０を接地
することができる。

【００３２】さらに、静電チャック４０には、導電性シ
ート４６に対して直流高圧電源９０からスイッチ９２を
介して、例えば２ＫＶ程度の直流電圧を供給するための
電源電路９４が接続されている。従って、導電性シート
４６に対して高電圧が供給されることにより、所謂、モ
ノポール型の静電チャックが構成されることになり、半
導体ウエハ５０を静電チャック４０上に吸着保持するこ
とが可能になる。

【００３３】また、本実施例では、図示しないが、半導
体ウエハ５０と対向する位置で、かつ、上部チャンバ２
０Ａの外側上方に永久磁石を回転可能に配置し、この永
久磁石を回転させて半導体ウエハ５０の近傍にその面と
平行な磁場を形成することによりマグネトロンエッチン
グ装置を構成することも可能である。

【００３４】一方、半導体ウエハ５０を吸着保持する静
電チャック４０およびこの静電チャック４０を載置して
いる第１のサセプタ３０には、プッシュピン７０の挿通
孔と平行して複数の気体導入路１００が設けてある。こ
の気体導入路１００は、静電チャック４０に開口をも
ち、第１のサセプタ３０内部に形成された貯留部１２０
に連通している。貯留部１２０は、例えば、第１のサセ
プタ３０を横断する方向に形成された空間で構成され、
その外周は、シール部材１２０Ａによって封鎖されてい
る。そして、貯留部１２０には通路１４０が接続され、
この通路１４０の途中には、方向切り換え弁１６０が配
置されている。方向切り換え弁１６０には、２系統の通
路が接続され、その一方には給気用ポンプ１８０が、ま
た、他方には排気用ポンプ２００がそれぞれ設けられて
いる。

【００３５】上記方向切り換え弁１６０および給気ポン
プ１８０、排気ポンプ２００は、後述する制御部２２０
によって動作態位を制御される。

【００３６】すなわち、制御部２２０は、演算制御処理
可能なマイクロコンピュータによって主要部を構成さ
れ、入力側には本実施例に関係するものとしてＲＦマッ
チング回路８６が、また、出力側には方向切り換え弁１
６０、給排気ポンプ１８０、２００が図示しないＩ／Ｏ
インターフェースを介してそれぞれ接続されている。

【００３７】制御部２２０では、次ぎの処理が実行され
る。

【００３８】すなわち、充填気体であるＨｅガスは、チ
ャンバ２０内の真空引きおよび半導体ウエハ５０の取出
し時に除去されることが必要である。これは、Ｈｅガス
中に含まれている水成分（Ｈ2 Ｏ）が静電チャック４０
からチャンバ２０の内部に飛散するのを防止するととも
に半導体ウエハ５０の吸着面に残留するのを防止するた
めである。

【００３９】従って、制御部２２０では、図２に示すタ
イミングチャートに基づいて方向切り換え弁１６０、給
排気ポンプ１８０、２００の動作時期を設定するように
なっている。

【００４０】図２において、チャンバ２０内を真空引き
する場合で説明すると、この場合には、プラズマの生成
を停止状態に設定する。このとき、ＲＦ電源の出力を、
例えば、８００Ｗから８０Ｗに設定し、さらに一定時間
経過後に出力しないというように段階的に低下させる。
そして、このようなＲＦ出力の段階的な低減状態を設定
されると同時に方向切り換え弁１６０を排気側の通路に
切り換え、かつ、排気ポンプ２００を作動させる。従っ
て、気体導入部１００および貯留部１２０内に充満して
いたＨｅガスは、排気ポンプ２００によって外部に排気
される。このようなＨｅガスの排気は、つぎの処理に移
行するまでの間継続される。

【００４１】なお、上記ＲＦ電源８０の出力低下を段階
的に行なう理由は、半導体ウエハの昇温を抑えるためと
半導体ウエハの除電を行なうためである。つまり、Ｈｅ
ガスを排気した場合には、所謂、半導体ウエハ５０に対
する冷却用熱媒体が存在しなくなるので、これに応じて
プラズマの生成を弱めることで半導体ウエハ５０の無用
な温度上昇を防止することができる。そして、中間的な
出力値としては、概ね、２０〜１２０Ｗの範囲で選択さ
れ、また、この出力が継続される時間は、例えば４秒程
度に設定されている。

【００４２】さらに、瞬間的にＲＦ電力を停止した場合
には、静電チャック４０とアース側電極との間で電荷を
移動させる機能をもつプラズマがなくなり、静電チャッ
ク４０上での半導体ウエハ５０の吸着保持が不安定にな
る。そこで、段階的なＲＦ出力の低下によって、半導体
ウエハ５０の吸着保持を安定化させるとともに、半導体
ウエハ５０側をフロート状態にしないようにして半導体
ウエハ５０上に残留する電荷を除電する。

【００４３】なお、静電チャック４０への通電停止はＲ
Ｆ出力の中間的な低減が一定時間継続された時点よりも
僅かに早い時期に設定され、そして、チャンバ２０内の
真空排気はＲＦ出力の中間的な低減が一定時間継続され
た時点よりも僅かに遅い時期に開始され、さらには、プ
ッシャピン７０による半導体ウエハ５０の突き上げはチ
ャンバ２０内の真空排気開始時点よりも遅く開始され
る。

【００４４】次ぎに作用について説明する。

【００４５】静電チャック４０に半導体ウエハ５０を吸
着させる場合には、まず、プッシャピン７０が突き上げ
られ、その上に半導体ウエハ５０が載置される。そし
て、プッシャピン７０が下降することで静電チャック４
０上に半導体ウエハ５０が載置される。半導体ウエハ５
０の載置に先立ち、静電チャック４０の静電吸着シート
４６には、スイッチ９２が投入されることによって直流
電源９０からの高電圧が供給される。従って、静電チャ
ック４０と半導体ウエハ５０とは、クーロン力によって
吸着される。また、半導体ウエハ５０が吸着されるとき
に先立ち、制御部１３０では、方向切り換え弁１６０を
給気側通路に切り換えるための信号が出力される。さら
に方向切り換え弁１６０の切り換えが完了した時点で制
御部１３０は、給気ポンプ１８０を作動させるための駆
動信号を出力する。従って、貯留部１２０にはＨｅガス
が充満されるので、気体導入路１００を介して静電チャ
ック４０の吸着面にＨｅガスが充填されることになる。

【００４６】一方、図２において説明したように、プラ
ズマ処理が実行されて、その工程が終了した場合には、
ＲＦ出力が段階的に低減される。この低減値は、例え
ば、ＲＦマッチング回路８６でのインピーダンス設定に
よって行なわれる。そして、このときには、制御部１３
０において方向切り換え弁１６０を排気側通路に切り換
えるための信号が出力されるとともに排気ポンプ２００
を作動させるための信号が出力される。従って、貯留部
１２０およびこの位置から静電チャック４０に向う通路
中に充満しているＨｅガスは、排気ポンプ２００によっ
て外部に排気される。

【００４７】一方、ＲＦ出力が低減された段階から、完
全に出力停止に移行するよりも前の時期に静電チャック
４０への通電が停止される。静電チャック４０への通電
が停止された時点では静電チャック４０の吸着面にＨｅ
ガスが供給されていないので、そのガス中に含まれる水
分が原因する残留電荷の発生は起こらない。また、吸着
面へのＨｅガスの供給が行なわれていないので、水分を
含んだＨｅガスがチャンバ２０内へ漏出すこともない。

【００４８】なお、本実施例では、貯留部１２０に対す
るＨｅガスの給排構造として、方向切り換え弁１６０を
用いて通路のガスの流路を設定する構造を対象とした
が、本発明ではこのような構造に限らない。例えば、方
向切り換え弁を用いないで貯留部１２０に連通する通路
を分岐させ、各通路に給気ポンプおよび排気ポンプをそ
れぞれ配置し、これら各ポンプの動作態位を設定して給
排気を行なうことも可能である。

【００４９】また、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変形実施が可能である。

【００５０】例えば、本発明を、モノポール型の静電チ
ャックを用い、被処理体と静電チャックとの間にＨｅガ
ス等の冷却気体を供給して熱伝達を行う他の装置、例え
ば、プラズマＣＶＤ装置やスパッタ堆積装置等、種々の
プラズマ処理装置に適用することが可能である。

【００５１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、静電チャ
ックの吸着面に充填される気体を排気する構造を備えて
いる。これによって、水分を含んでいる充填気体は吸着
面へ吐き出されることがなく、また吸着面からチャンバ
内部に飛散することがない。従って、充填気体を含めた
真空引きを行なう必要がないので、真空引きに要する時
間を短縮することが可能になる。

【００５２】また、吸着面やチャンバ内部に水分を飛散
もしくは付着させることがないので、吸着面に吸着され
ている被処理体に残留電荷が発生することがない。従っ
て、被処理体の除電を必要としないので、突き上げ操作
による被処理体の損傷や破損を未然に防ぐことが可能に
なる。

【００５３】さらに、充填気体が存在していない状態で
プロセス処理室内の真空引きが行なえるので、水分の残
留によるプロセス条件の変化を防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例によるプラズマ処理装置の要部を
示す断面図である。

【図２】図１に示した制御部の動作を説明するためのタ
イミングチャートである。

【符号の説明】

１０プラズマ処理装置２０チャンバ３０第１のサセプタ３２第２のサセプタ４０静電チャック４６導電性シート５０被処理体をなす半導体ウエハ１００気体導入路１３０制御部１４０充填気体の通路１６０方向切り換え弁１８０給気ポンプ２００排気ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】載置台上に設けられた静電チャックによ
り半導体ウエハ等の被処理体を吸着保持するとともに、
吸着保持されている被処理体の裏面に熱伝達用気体を充
填する構造を備えたプラズマ処理装置において、常軌被処理体と静電チャックとの間に熱伝達用気体を給
排する手段が設けられ、この給排手段は、プラズマ処理
中には給気状態に設定され、プラズマ処理後に排気状態
に設定されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、熱伝達用気体の給排手段は、プラズマ処理のための真空
引き実行よりも前に排気時期が設定されることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、熱伝達用気体の給排手段は、プラズマ生成用のＲＦ電源
の出力を低下させた時点に応じて排気状態に設定される
ことを特徴とするプラズマ処理装置。