JPH0670985B2

JPH0670985B2 - 試料の温度制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH0670985B2
Application number: JP1249151A
Authority: JP
Inventors: 豊掛樋; 則男仲里; 喜正福島; 幸哉平塚; 史雄柴田; 則明山本; 恒彦坪根
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: JPH02110926A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、試料の温度制御方法及び装置に係り、特に基
板の温度を制御するものに好適な試料の温度制御方法及
び装置に関するものである。

〔従来の技術〕

試料を真空処理、例えば、プラズマ利用して処理（以
下、プラズマ処理と略）する装置、例えば、ドライエッ
チング装置の重要な用途の一つに半導体集積回路等の微
小固体素子の製造における微細パターンの形成がある。
この微細パターンの形成は、通常、試料である半導体基
板（以下、基板と略）の上に塗布したレジストと呼ばれ
る高分子材料に紫外線を露光，現像して描いたパターン
をマスクとしてドライエッチングにより基板に転写する
ことで行われている。

このような基板のドライエッチング時には、プラズマと
の化学反応熱やプラズマ中のイオンまたは電子などの衝
撃入射エネルギによりマスク及び基板が加熱される。従
って、十分な放熱が得られない場合、即ち、基板の温度
が良好に制御されない場合は、マスクが変形，変質し正
しいパターンが形成されなくなったり、ドライエッチン
グ後の基板からのマスクの除去が困難となってしまうと
いった不都合を生じる。そこで、これら不都合を排除す
るため、次のような技術が従来より種々慣用・提案され
ている。以下、これら従来の技術について説明する。

従来技術の第１例としては、例えば、特公昭56-53853号
公報に示されているように、高周波電源の出力が印加さ
れる試料台を水冷し、該試料台上に被加工物質を誘電体
膜を介して載置し、試料台に直流電圧を印加することで
プラズマを介して誘電体膜に電位差を与え、これにより
生じる静電吸着力によって被加工物質を試料台に吸着さ
せ、被加工物質と試料台との間の熱抵抗を減少させて被
加工物質を効果的に冷却するものがある。

従来技術の第２例としては、例えば、特開昭57-145321
号公報に示されているように、ウェーハの裏面より気体
ガスを吹き付けて、ウェーハを気体ガスにより直接冷却
するものがある。

従来技術の第３例としては、例えば、E.J.Egerton他,So
lid State Technology,Vol.25,No.8,P84〜87（1982−
８）に示されているように、水冷された試料台である電
極と該電極に載置され機械的クランプ手段で外周辺を電
極に押圧されて固定された基板との間に、圧力が6Torr
程度のGHeを流通させて、電極と基板との間の熱抵抗を
減少させ、これにより基板を効果的に冷却するものがあ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記これらの従来技術は、試料の効果的
な冷却、及び基板裏面に流すガスのプロセスに与える影
響等の点において、充分配慮されておらず、以下のよう
な問題があった。

上記第１の従来技術では、上記のように行っても、ま
だ、被加工物質と試料台との間の接触部分は少なく、微
視的にみればわずかな隙間を有している。また、この隙
間には、プロセスガスが入り込み、このガスは、熱抵抗
となる。一般のドライエッチング装置では、通常0.1Tor
r程度のプロセスガス圧によって被加工物質をエッチン
グ処理しており、被加工物質と誘電体膜との間の隙間は
プロセスガスの平均自由行路長より小さくなるため、静
電吸着力による隙間の減少は、熱抵抗の点からはほとん
ど変わらず、接触面積が増加した分だけ効果が上がるこ
とになる。したがって、被加工物質と試料台との間の熱
抵抗を減少させ被加工物質をより効果的に冷却するため
には、大きな静電吸着力を必要とする。このため、この
ような技術では、次のような問題があった。

（１）被加工物質が試料台から離脱しにくくなるため、
エッチング処理が終了した被加工物質の搬送に時間を要
したり、被加工物質をいためたりする。

（２）大きな静電吸着力を生じるためには、誘電体膜と
被加工物質との間に大きな電位差を与える必要がある
が、しかし、この電位差が大きくなれば、被加工物質、
すなわち、基板内の素子に対するダメージが大きくなる
ため、歩留まりが悪くなり、集積回路の集積度が高まる
につれて要求が高まっている薄いゲート膜の微細加工で
は、更に歩留まりが悪くなる。

上記第２の従来技術では、ヘリウムガス（以下、GHeと
略）のように熱伝導性の優れた気体ガスを用いること
で、ウェーハの冷却効率を向上させることができる。し
かしながら、このような技術では、次のような問題があ
った。

（１）気体ガスがウェーハの冷却面側にととまらずエッ
チング室内に多量に流れ込むため、GHeのように不活性
ガスでもプロセスに与える影響は大きく、したがって、
すべてのプロセスに使用することができない。

上記第３の従来技術では、基板の外周辺をクランプによ
って固定しても、GHeの真空処理室内への流出は避けら
けず、したがって上記した第２の従来技術での問題点と
同様の問題を有し、更に次のような問題をも有してい
る。

（１）機械的クランプ手段により基板の外周辺を押圧し
て、基板を電極に固定するため、基板は、流通するGHe
のガス圧により周辺支持状態で中高で凸状に変形する。
このため、基板の裏面と電極との間の隙間量が大きくな
り、これに伴って基板と電極との熱伝導特性が悪化す
る。このため、基板の冷却を充分効果的に行うことがで
きない。

（２）電極に基板の外周辺を押圧して固定する機械的ク
ランプ手段が設けられているため、基板内の素子製作面
積が減少すると共に、プラズマの均一性が阻害され、ま
た、機械的クランプ手段の動作時に、機械的クランプ手
段に付着した反応生成物が機械的クランプ手段から脱落
して、塵埃の発生する危険性があり、更に、基板搬送が
極めて複雑となり、その結果、装置が大型化すると共に
信頼性が低下する。

本発明の目的は、真空処理される試料の温度を効果的に
制御でき、プロセスに与える伝熱ガスの影響を少なくで
きる試料の温度制御方法及び装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、真空処理される試料の配置面の略全面に電気
絶縁材を設けた試料台と、試料台に電気絶縁材を介して
配置された試料を試料台に静電吸着保持させる吸着手段
と、吸着手段により吸着保持された試料の裏面と電気絶
縁材との間隙に伝熱ガスを供給するガス供給手段とを具
備した装置とし、真空処理される試料の配置面の略全面
に電気絶縁材を設けた試料台に、電気絶縁材を介して試
料を配置し、配置された試料を試料台に静電吸着保持さ
せ、吸着保持された試料の裏面と電気絶縁材との間隙に
伝熱ガスを供給する方法とすることにより、達成でき
る。

〔作用〕

真空処理される試料の配置面の略全面に電気絶縁材を設
けた試料台に、電気絶縁材を介して試料を配置し、配置
された試料を吸着手段により試料台に静電吸着保持さ
せ、吸着保持された試料の裏面と電気絶縁材との間隙に
ガス供給手段により伝熱ガスを供給することにより、伝
熱ガスのガス圧による試料の変形を防止して吸着保持さ
れた試料の裏面と試料台との間の隙間量の増大が抑制さ
れ、真空処理される試料の温度を効果的に制御できると
共に、伝熱ガスの真空処理室内への流出が抑制され、プ
ロセスに与える伝熱ガスの影響を少なくできる。

〔実施例〕

試料を真空処理、例えば、プラズマ処理する装置として
は、ドライエッチング装置，プラズマCVD装置，スパッ
タ装置等があるが、ここでは、ドライエッチング装置を
例にとり本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図により説
明する。

第１図にドライエッチング装置の概略構成を示す。真空
処理室10の、この場合、底壁には、絶縁体11を介して試
料台である下部電極20が電気絶縁されて気密に設けられ
ている。真空処理室10には、放電空間30を有し下部電極
20と上下方向に対向して上部電極40が内設されている。

試料である基板50の裏面に対応する下部電極20の表面に
は、電気絶縁材である絶縁物60が埋設されている。ま
た、下部電極20には、伝熱ガスの供給路を形成する溝21
が形成されている。絶縁物60と溝21については、第２図
および第３図を用いて詳細に後述する。下部電極20に
は、溝21と連通してガス供給路23aとガス排出路23bとが
形成されている。また、下部電極20内には、冷媒流路22
が形成されている。下部電極20には、冷媒流路22と連通
して冷媒供給路24aと冷媒排出路24bとが形成されてい
る。

ガス供給路23aには、ガス源（図示省略）に連結された
導管70aが連結され、ガス排出路23bには、導管70bの一
端が連結されている。導管70aには、マスフローコント
ローラ（以下、MFCと略）71が設けられ、導管70bには調
整バルブ72が設けられている。導管70bの他端は、真空
処理室10と真空ポンプ80とを連結する排気用の導管12に
合流連結されている。冷媒供給路24aには、冷媒源（図
示省略）に連結された導管90aが連結され、冷媒排出路2
4bには、冷媒排出用の導管90bが連結されている。

下部電極20には、マッチングボックス100を介して高周
波電源101が接続されると共に、高周波遮断回路102を介
して直流電源103が接続されている。なお、真空処理室1
0,高周波電源101および直流電源103はそれぞれ接地され
ている。

また、上部電極40には、放電空間30に開口する処理ガス
放出孔（図示省略）と該処理ガス放出孔に連通する処理
ガス流路（図示省略）とが形成されている。処理ガス流
路には、処理ガス供給装置（図示省略）に連結された導
管（図示省略）が連結されている。

次に、第１図の下部電極20の詳細構造例を第２図，第３
図により説明する。

第２図、第３図で、第１図に示したガス供給路23aは、
この場合、導管25aで形成され、導管25aは、この場合、
下部電極20の基板載置位置中心を軸心として上下動可能
に設けられている。導管25aの外側には、第１図に示し
たガス排出路23bを形成して導管25bが配設されている。
導管25bの外側には、第１図に示した冷媒供給路24aを形
成して導管25cが配設されている。導管25cの外側には、
第１図に示した冷媒排出路24bを形成して導管25dが配設
されている。導管25bの上端は電極上板26につながり、
導管25dの上端は電極上板26の下方の電極上板受27につ
ながっている。導管25bの上端部には、電極上板26と電
極上板受27と導管25bとで空室28が形成されている。空
室28には分割板29が冷媒流路22を形成して内設され、導
管25cの上端は分割板29につながっている。

基板（図示省略）が載置される電極上板26の表面には、
この場合、放射状の伝熱ガス分散用の溝21aと円周状の
伝熱ガス分散用の溝21bとが複数条形成されている。伝
熱ガス分散用の溝21a,21bは、導管25a,25bと連結してい
る。また、基板が載置される電極上板26の表面（基板の
配置面の略全面）には、絶縁物60が設けられている。こ
の場合は、絶縁膜がコーティグされている。

なお、第２図，第３図で、110は基板が載置されない部
分の電極上板26の表面を保護する電極カバーで、111は
下部電極20の電極上板26の表面以外を保護する絶縁カバ
ー、112はシールド板である。また、導管25aの上端に
は、電極上板26への基板の載置時並びに電極上板26から
の基板の離脱時に基板を裏面側から支持するピン113
が、この場合、120度間隔で３本配設されている。

また、溝21a,21bの深さは、基板吸着時の基板の裏面と
溝21a,21bの底部との間の隙間（以下、溝部隙間と略）
が伝熱ガスの平均自由行路長以上になれば、伝熱ガスの
伝熱効果が低下するようになるため、該溝部隙間が、好
ましくは、伝熱ガスの平均自由行路長以下となるように
溝21a,21bの深さを選定するのが良い。

また、基板の裏面で絶縁膜に静電吸着により実質的に密
着される部分（以下、吸着部と略）の面積は、伝熱ガス
のガス圧と真空処理室10の圧力との差圧による基板の下
部電極20からの浮上りを防止するために、伝熱ガスのガ
ス圧と真空処理室10の圧力との差圧により決まる必要静
電吸着力により選定する。例えば、伝熱ガスの圧力が1T
orrで真空処理室10の圧力が0.1Torrの場合、基板の下部
電極20からの浮上りを防止するための必要静電吸着力は
約1.3g/cm²であり、従って、これより吸着部の面積は、
基板の裏面面積の約1/5に選定される。なお、本例は一
例であり、吸着部の面積を基板裏面のほぼ全面まで大き
くとすれば、それに応じて静電吸着力を小さくできるこ
とは言うまでもない。

上記のように構成された第１図ないし第３図のドライエ
ッチング装置で、基板50は、公知の搬送装置（図示省
略）により真空処理室10に搬入された後に、その裏面外
周辺部を絶縁物60と対応させて下部電極20に載置され
る。下部電極20への基板50の載置完了後、処理ガス供給
装置から導管を経てガス流通路に供給された処理ガス
は、ガス流通路を流通した後に上部電極40のガス放出孔
より放電空間30に放出される。真空処理室10内の圧力調
整後、下部電極20には高周波電源101より高周波電力が
印加され、下部電極20と上部電極40との間にグロー放電
が生じる。このグロー放電により放電空間30にある処理
ガスはプラズマ化され、このプラズマにより基板50のエ
ッチング処理が開始される。また、これと共に下部電極
20には、直流電源103より直流電圧が印加される。基板5
0のプラズマによるエッチング処理の開始により、この
プラズマ処理プロセスによって生じるセルフバイアス電
圧と直流電源103によって下部電極20に印加される直流
電圧とにより、基板50は下部電極20に静電吸着されて実
質的に密着し、固定される。その後、溝21a,21bには、
ガス源よりMFC71及びガス供給路23aを順次介して伝熱ガ
ス、例えば、GHeが供給される。これにより、実質的に
密着している基板裏面と下部電極20との微小な間隙の全
域にわたってに、溝21a,21bからGHeが供給される。この
とき、GHeは、MFC71と調整バルブ72との操作によりガス
量を制御されて供給され、場合によっては、基板裏面と
下部電極20、詳しくは絶縁物60との間隙にGHeを封じ込
めた使用も可能である。これにより、冷媒流路22を流通
する冷媒、例えば、水や低温液化ガス等で冷却されてい
る下部電極20と基板50との熱抵抗は、基板裏面の全域に
わたって均一に減少させられ、基板50は効果的、すなわ
ち、均一に且つ効率良く冷却される。言い替えれば、基
板裏面の略全面が吸着保持されることにより効果的に基
板の冷却が行なえる。その後、エッチングの終了に近づ
くと、溝21a,21bへのGHeの供給は停止され、エッチング
の終了に伴って、放電空間30への処理ガスの供給と、下
部電極20への直流電圧および高周波電力の印加が停止さ
れる。その後、引続き基板50に生じている静電吸着力は
解除、この場合、電気的に電極上板26と同電位に保たれ
たピン113が基板50に当接することによって静電気の除
去が行われ、ピン113の作動により基板50は下部電極20
上より除去される。その後、基板50は、公知の搬送装置
により真空処理室10外へ搬出される。また、静電気の除
去については、直流電圧の印加を停止した後に、高周波
電力の印加を停止することによっても行うことができ
る。

以上、本実施例によれば、次のような効果が得られる。

（１）従来のように基板を外周辺だけ下部電極に押圧し
て固定するのでなく、広い面積（基板の配置面の略全
面）にわたって静電吸着により実質的に密着固定できる
ため、伝熱ガスであるGHeのガス圧による基板の変形を
防止でき、下部電極に固定された基板の裏面と下部電極
との間隙量の増大を抑制できる。従って、基板と下部電
極との間の熱伝導特性の悪化を防止でき、基板を効果的
に冷却できる。

（２）少なくとも基板の裏面の外周辺を吸着しているの
で、伝熱ガスであるGHeは吸着部で真空処理室内への流
出を抑制させるため、GHeのプロセスに与える影響は少
なくなり、全てのプロセスに使用することができる。

（３）静電吸着によって基板と下部電極との接触面積を
増加させて熱抵抗を減少させる従来の技術と比較する
と、本実施例では、静電吸着力の大きさはGHeの圧力と
真空処理室内の圧力との圧力差による基板の浮上りを防
止するのに必要な大きさで良く、GHeの圧力とプラズマ
の圧力との差圧を、基板の裏面と下部電極との間の熱抵
抗の許す範囲で小さくすることにより静電吸着力を小さ
くしても基板冷却の効果が十分得られる。

（４）静電吸着力が小さいため、基板の下部電極からの
離脱が容易となり、エッチング処理が終了した基板の搬
送時間を短縮できると共に、基板の損傷を防止できる。

（５）静電吸着力が小さくてよいため、基板に与えられ
る電位差は小さく基板内の素子に対するダメージを小さ
くできる。したがって、薄いゲート膜の微細加工でも歩
留まりを悪化させる心配がない。

（６）基板を機械的クランプ手段によらず静電吸着力に
よって下部電極に固定しているため、基板内の素子製作
面積の減少を防止できると共に、プラズマの均一性を良
好に保持でき、また、下部電極への基板の載置時並びに
下部電極からの基板の除去時に塵埃が発生する危険性が
なく、更に、基板搬送を容易化でき、その結果、装置の
大型化を抑制できると共に信頼性を向上できる。

第４図は、本発明を実施したドライエッチング装置の他
の例を示すもので、真空処理室10の頂壁と上部電極40に
は、真空処理室10外部と放電空間30とを連通して光路12
0が形成されている。光路120の真空処理室10外部側に
は、透光窓121が気密に設けられている。透光窓121と対
応する真空処理室10外部には、温度計測手段、例えば、
赤外線温度計122が設けられている。赤外線温度計122の
出力はアンプ123を介してプロセス制御用コンピュータ1
24に入力され、プロセス制御用コンピュータ124により
演算された指令信号がMFC71に入力されるようになって
いる。なお、その他、第１図と同一装置等は、同一符号
で示し説明を省略する。

本実施例によれば、更に次のような効果が得られる。

（１）基板の温度を計測しながらGHeの供給量を調整、
すなわち、GHeを供給するMFCをプロセス制御コンピュー
タと結合し、あらかじめ求めた基板の温度とGHeの供給
量との間の関係からGHeの供給量を制御することによ
り、基板の温度を一定の温度に保持できる。このような
制御は、Al−Cu−Si材のドライエッチングの際に特に有
効であり、ホトレジストがダメージを受けない範囲の高
い温度に制御して被エッチング材の残渣を減少させるこ
とができる。

（２）プラズマの圧力が高い場合には、エッチング速度
が基板の温度上昇に伴って増加するプロセスもあり、こ
のような場合には、基板の温度があらかじめ設定した一
定温度を超えた場合に、GHeを流して冷却効果を上げホ
トレジストのダメージを防止しながらエッチング時間の
短縮を図ることができる。

以上説明した実施例では、基板の吸着に静電吸着力を用
いているが、プラズマガスの圧力が高いプロセスにおい
ては真空吸着力を用いることも可能である。また、絶縁
物下面に正極と負極とを交互に並べて配置し静電吸着力
を基板に付与するようにしても良い。また、下地の材料
が露出し始めてから更にオーバーエッチングを行うよう
な場合は、下地の材料が露出し始めた時点でGHeの供給
を停止し下部電極に直流電圧を逆印加するようにする。
このようにすれば、エッチング終了時点での基板に残留
する静電力を更に減少させることができるため、基板搬
出時に基板を損傷させることがなく、基板搬出に要する
時間を短縮することができる。但し、この場合は、エッ
チング中の基板の温度をオーバーエッチング時の温度上
昇分だけ下げておくよう制御してやる必要がある。ま
た、伝熱ガスとしてGHeの他に水素ガス，ネオンガス等
の熱伝導性の良いガスを用いても良い。

なお、本発明は、その他の冷却される基板台に配置保持
されて真空処理される試料の温度を制御するのに同様の
効果を有する。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、真空処理される試料の
配置面の略全面に電気絶縁材を設けた試料台に、電気絶
縁材を介して試料を配置し、配置された試料を吸着手段
により試料台に静電吸着保持させ、吸着保持された試料
の裏面と電気絶縁材との間隙にガス供給手段により伝熱
ガスを供給することにより、伝熱ガスのガス圧による試
料の変形を防止して吸着保持された試料の裏面と試料台
との間隙量の増大を抑制でき、真空処理される試料の温
度を効果的に制御できると共に、伝熱ガスの真空処理室
内への流出が抑制でき、プロセスに与える伝熱ガスの影
響を少なくできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したドライエッチング装置の一例
を示す構成図、第２図は第１図の下部電極の詳細平面
図、第３図は第２図のＡ−Ａ視断面図、第４図は本発明
を実施したドライエッチング装置の他の例を示す構成図
である。 10……真空処理室、20……下部電極、21,21a,21b……
溝、22……冷媒流路、50……基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平塚幸哉茨城県土浦市神田町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者柴田史雄山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者山本則明山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者坪根恒彦山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空処理される試料の配置面の略全面に電
気絶縁材を設けた試料台に、前記電気絶縁材を介して前
記試料を配置し、該配置された試料を前記試料台に静電
吸着保持させ、該吸着保持された試料の裏面と前記電気
絶縁材との間隙に伝熱ガスを供給することを特徴とする
試料の温度制御方法。
【請求項２】前記伝熱ガスは、前記試料台に設けられる
分散溝により、前記吸着保持された前記試料の裏面と前
記電気絶縁材との間隙に分散供給される特許請求の範囲
第１項記載の試料の温度制御方法。
【請求項３】真空処理される試料の配置面の略全面に電
気絶縁材を設けた試料台と、該試料台に前記電気絶縁材
を介して配置された前記試料を前記試料台に静電吸着保
持させる吸着手段と、該吸着手段により吸着保持された
前記試料の裏面と前記電気絶縁材との間隙に伝熱ガスを
供給するガス供給手段とを具備したことを特徴とする試
料の温度制御装置。
【請求項４】前記密着保持手段を、前記試料台に接続さ
れた直流電源と前記真空処理時にプラズマを生成する手
段とで構成し、前記伝熱ガス供給手段が、前記試料台並
びに電気絶縁材を貫通し、かつ、前記試料の裏面に向か
って開口する前記伝熱ガスの供給路を有した特許請求の
範囲第３項記載の試料の温度制御装置。
【請求項５】前記試料台は、前記伝熱ガスの分散用溝を
有する特許請求の範囲第３項記載の試料の温度制御装
置。
【請求項６】前記分散用溝の深さは、前記伝熱ガスの平
均自由行路長以下とする特許請求の範囲第５項記載の試
料の温度制御装置。
【請求項７】前記電気絶縁材は、前記試料台の金属面に
絶縁膜をコーティングして成る特許請求の範囲第３項記
載の試料の温度制御装置。