JPH07263412A

JPH07263412A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH07263412A
Application number: JP4762494A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Miyake; 明廣三宅; Hideyuki Suga; 秀幸須賀; Kazutsuna Nakajiyou; 和維中條; Kazuhiko Kawai; 和彦河合
Original assignee: Hitachi Tokyo Electronics Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Renesas Eastern Japan Semiconductor Inc
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1995-10-13

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体ウエハおよび半導体デバイスに悪影響
を及ぼすことなく、半導体ウエハを確実に安定して静電
吸着により固定する。【構成】下部電極３の上面に誘電体３ａが形成されて
おり、この誘電体３ａの上部に被処理体である半導体ウ
エハ９を置き、静電吸着用ＤＣ電源５により下部電極３
に正電圧を印加し、プラズマ処理により電圧が負となっ
てしまい、誘電体３ａによって下部電極３と電気的に絶
縁され、負の電圧が下がらない半導体ウエハ９との電圧
の差を大きくすることにより静電吸着力を大きくさせ
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、プラズマ処理を行う被処理体を静電吸着によ
り固定するプラズマ処理装置に適用して有効な技術に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハなどの処理を行うプラズマ
を利用したプラズマ処理装置は、近年の半導体装置の製
造技術として欠くことのできない技術となっており、半
導体デバイスの微細化に伴い処理精度の向上が求められ
ている。

【０００３】たとえば、半導体ウエハのエッチング工程
においては、エッチングレートおよびエッチング形状の
半導体ウエハ内の均一性向上が求められている。

【０００４】この種の半導体ウエハのエッチングにおい
ては、半導体ウエハが搭載される電極の温度調節を行
い、半導体ウエハの内面温度を常に一定にし、エッチン
グ特性が均一となるようにしている。

【０００５】さらに、近年、サイドエッチ量の低減を図
るためのエッチングとして低温エッチングがある。これ
は半導体ウエハ表面を低温化することにより活性ラジカ
ルの抑制を図り、横方向のエッチング量を制御するもの
である。

【０００６】また、この低温エッチングによる半導体ウ
エハを低温に保つ方法としては、たとえば、温度調節装
置により低温に温度調節された電極に半導体ウエハを固
定し、電極と半導体ウエハとの間に熱伝導の良い不活性
ガス、たとえば、ヘリウムガスを加圧することにより行
っている。

【０００７】さらに、電極と半導体ウエハとの固定は、
機械的に半導体ウエハを加圧して接触させるメカクラン
プ方式と、電極の表面上に、たとえば、セラミックやポ
リイミドフィルムなどからなる誘電体を形成し、その電
極に電圧を印加し、それによって発生する電圧により吸
着を行う静電チャック方式とがある。

【０００８】また、本発明者が検討したところによれ
ば、静電チャック方式には、図５（ａ）に示すように、
誘電体３０が上面に形成された電極３１に、静電吸着用
直流電源３２によって負電圧を印加し、処理室中に発生
されたプラズマを介して、半導体ウエハ３３それ自体を
グランド電位に接地させ吸着する方式と、図５（ｂ）に
示すように、誘電体３０が形成された電極３１，３１ａ
に静電吸着用直流電源３２によって正電圧を、静電吸着
用直流電源３２ａにより負電圧の両方を印加し、その電
圧差により半導体ウエハ３３を吸着させる方式とがあ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なメカクランプ方式の半導体ウエハの固定では、半導体
ウエハを機械的に加圧するために、半導体ウエハ表面に
メカクランプが接触することによる異物が発生してしま
ったり、メカクランプ近傍のプラズマの変動によるエッ
チング特性の変化などによりエッチング処理が均一に行
えないという問題が生じている。

【００１０】また、負電圧を電極に印加し、プラズマを
介して半導体ウエハをグランド電位に接続する方式で
は、プラズマを発生させるまでは半導体ウエハの固定が
行われず、外部からの衝撃などによって半導体ウエハが
電極から落下する危険性がある。

【００１１】さらに、プラズマが発生するまで半導体ウ
エハが電極に固定されないために、予め半導体ウエハを
低温にするために不活性ガスを半導体ウエハと電極との
間に加圧することができなくなってしまう。

【００１２】また、この負電圧を電極に印加する方式で
は、プラズマの発生によって半導体ウエハ上に生じる帯
電電圧（自己バイアス電圧）Ｖｄｃと静電吸着用印加電
圧Ｖｅｓｃとの差が小さくなり、果ては吸着しない状態
に及ぶこともある。

【００１３】これは、半導体ウエハが誘電体上に固定さ
れることになるために電極と絶縁された状態となってお
り、この状態でプラズマ中にさらされると、半導体ウエ
ハ上にプラズマ中の電子が蓄積され、半導体ウエハそれ
自体が負電圧に帯電してしまうためである。

【００１４】また、この電圧は半導体ウエハ上だけに帯
電するものであり、その下面の電極の電圧ではない。

【００１５】さらに、この時の半導体ウエハの静電吸着
力は、Ｆ＝１／２ε（Ｖ／ｄ）式（１）となる。

【００１６】ここで、Ｆは静電吸着力（Ｎ／ｍ²）、ε
は誘電体の誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｖは電極間電圧（Ｖ）、
ｄは、誘電体の厚さ（ｍ）とする。

【００１７】また、たとえば、電極がグランド電位（静
電吸着用電圧を印加しない状態）であるとすると、半導
体ウエハと電極との電圧は、プラズマ密度によって決ま
る帯電電圧（自己バイアス電圧）Ｖｄｃとなる。

【００１８】電極に静電吸着用電圧Ｖｅｓｃを印加する
と、誘電体に発生する静電気力は、その電位の極性によ
って正反対の変化を示す。

【００１９】静電吸着用電圧Ｖｅｓｃが負電位ならば、
式（１）の電極間電圧ＶはＶ＝Ｖｅｓｃ − Ｖｄｃ式（２）となり、Ｖｅｓｃ＝Ｖｄｃの時、Ｖ＝０となるので静電
吸着力はなくなってしまうことになる。

【００２０】よって、処理時間の経過により半導体ウエ
ハに電子が帯電すると、式（２）の自己バイアス電圧Ｖ
ｄｃが大きくなり、一方、静電吸着用電圧Ｖｅｓｃは一
定の負の電圧を印加しているので、ついには自己バイア
ス電圧Ｖｄｃと静電吸着用電圧Ｖｅｓｃとの電圧差がな
くなり、吸着力がなくなってしまうことになる。

【００２１】また、静電吸着力がなくなってしまうこと
を防止するために、帯電電圧Ｖｄｃよりもはるかに高い
電圧を静電吸着用電圧として印加する方法もあるが、こ
の場合、誘電体の静電破壊による吸着力の低下や半導体
ウエハにリークする電流による半導体デバイスの破壊な
どによる半導体ウエハに及ぼす悪影響が問題となってし
まう。

【００２２】さらに、電極に正電圧および負電圧の両方
を印加し、半導体ウエハを固定する方式では、それぞれ
の電位が印加される電極の面積が小さくなってしまう。

【００２３】静電吸着力は電極の面積によって変化して
しまい、その静電吸着力の変化は、電極の面積の２剰に
比例して吸着力が落ちていくので、負電位を電極に印加
し、プラズマを介して半導体ウエハをグランド電位に接
続する方式に比べると１／４程度の吸着力となってしま
う。

【００２４】それによって、半導体ウエハの固定が不安
定となり、加圧されている不活性ガスの圧力で半導体ウ
エハが電極から落下しまう問題がある。

【００２５】本発明の目的は、半導体ウエハおよび半導
体デバイスに悪影響を及ぼすことなく、半導体ウエハを
確実に安定して静電吸着により固定するプラズマ処理装
置を提供することにある。

【００２６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００２８】すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、
プラズマ処理を行う被処理体を固定する電圧が印加され
る電極と、電極の上面に形成され、被処理体と電極とを
絶縁する絶縁体と、電極に正電圧を印加する正電圧印加
手段とを設け、電極に印加された正電圧と被処理体との
電位差により発生する静電気力により被処理体を固定さ
せるものである。

【００２９】また、本発明のプラズマ処理装置は、プラ
ズマ処理中に被処理体の静電吸着力を測定する測定手段
と、測定手段から出力された測定値を基に被処理体と電
極との静電吸着力を一定に制御する制御手段とを設け、
静電圧印加手段が、制御手段から出力された信号により
正電圧の出力を可変する可変正電圧印加手段よりなるも
のである。

【００３０】さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前
記測定手段が、被処理体の帯電電圧を測定する電圧測定
手段よりなり、制御手段が、可変静電圧印加手段から出
力される正電圧値を可変させることによって電圧測定手
段により測定された電圧と可変静電圧印加手段から出力
される電圧との差を一定にさせることにより、静電吸着
力を一定にするものである。

【００３１】また、本発明のプラズマ処理装置は、前記
測定手段が、絶縁体に被処理体が吸着される圧力を測定
する圧力測定手段よりなり、圧力測定手段から出力され
た信号により制御手段が、可変静電圧印加手段の正電圧
の出力を可変させ、静電吸着力を一定にするものであ
る。

【００３２】

【作用】上記した本発明のプラズマ処理装置によれば、
電極に正電圧を印加することによって、プラズマ処理中
に小さい電圧を電極に印加するだけで、電極と被処理体
との電位差を大きくすることができる。

【００３３】また、上記した本発明のプラズマ処理装置
によれば、電極に印加する正電圧を可変することによっ
て、電極に静電吸着に必要な最小限の電圧だけを印加す
ることができる。

【００３４】それにより、確実に被処理体を固定するこ
とができ、冷却ガスなどの圧力によるプラズマ処理中の
被処理体のはがれや落下などがなくなる。

【００３５】また、被処理体が一定の力で、安定して吸
着されるので、半導体ウエハおよび半導体デバイスに対
するダメージを最小に抑えることができる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００３７】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
よるプラズマエッチング装置の構成図、図２は、本発明
の実施例１による正電位の静電用吸着電圧を印加したと
きの電圧分布図である。

【００３８】本実施例１において、プラズマエッチング
装置は、プラズマエッチング処理を行う処理室１内に１
対の平行平板形の上部電極２および下部電極（電極）３
が設けられている。この上部電極２には、高周波を印加
するための高周波電源４が接続されている。

【００３９】また、下部電極３の上面には、たとえば、
セラミックによって成形された誘電体（絶縁体）３ａが
接着固定されている。さらに、この下部電極３には静電
吸着用ＤＣ電源（正電圧印加手段）５が接続されてお
り、正電圧が印加されるようになっている。

【００４０】また、下部電極３には、下部電極３を所定
の温度に温度調節を行う温度調節手段６が接続され、誘
電体３ａの表面には、たとえば、ヘリウムガスなどの冷
却用ガスが一定圧力および一定流量で、冷却ガス導入機
構７により供給されている。

【００４１】さらに、処理室１の上部には処理ガスを導
入するためのガス導入孔１ａが設けられ、処理室１の下
部には、処理室１内の排気を行う排気孔１ｂが設けら
れ、真空引きを行うための真空ポンプ８に接続されてい
る。

【００４２】また、半導体ウエハ（被処理体）９は、図
示しない搬送手段により自動的に誘電体３ａ上に搬送さ
れ、プラズマエッチング処理後、再び搬送手段により処
理室１内に搬送される。

【００４３】次に、本実施例における作用について説明
する。

【００４４】まず、搬送手段により半導体ウエハ９は、
処理室１内の誘電体３ａ上に搬送される。そして、ガス
導入孔１ａから所定の処理ガスが導入され、処理室１内
を所定の真空圧力に保つために真空ポンプ８により排気
孔１ｂから真空引きを行う。また、下部電極３は、温度
調節手段６により所定の温度に保たれている。

【００４５】この状態において、静電吸着用ＤＣ電源５
により下部電極３に正電圧を印加することにより、下部
電圧３は静電吸着用ＤＣ電源５から出力された電圧と同
電圧に保たれることになる。

【００４６】次に、高周波電源４により、たとえば、１
3.５６ＭＨｚの高周波を上部電極２に印加することによ
って、上部電極２と下部電極３との間にプラズマを発生
させる。

【００４７】そして、静電吸着用ＤＣ電源５によって下
部電圧３に印加された電圧により半導体ウエハ９を静電
吸着した後、冷却用ガスを一定圧力および一定流量で冷
却ガス導入機構７により半導体ウエハ９と誘電体３ａと
の間に供給し、半導体ウエハ９の冷却を行う。

【００４８】この１3.５６ＭＨｚなどの高周波を印加し
た場合、プラズマ中の正電位であるイオンは質量が重い
ために電位差による移動は少なく、負電位である電子
は、質量が軽いために電位差に比例して上部電極２と下
部電極３との間を激しく移動する。

【００４９】そして、これらの電子は半導体ウエハ９に
衝突し、半導体ウエハ９中に取り込まれることにより、
半導体ウエハ９自体の電圧が負となってしまう。また、
半導体ウエハ９は、誘電体３ａによって下部電極３と電
気的に絶縁されているので、負の電圧は下がらず、大き
くなってしまうことになる。

【００５０】ここで、半導体ウエハ９の静電吸着用電源
として、下部電極３に正電位を印加した場合を考える。

【００５１】半導体ウエハ９を吸着する静電吸着力電圧
Ｖｆは、図２に示すように、Ｖｆ＝Ｖｅｓｃ＋Ｖｄｃ式（３）となる。

【００５２】ただし、式（３）中のＶｅｓｃおよびＶｄ
ｃの値は絶対値とする。また、Ｖｅｓｃは静電吸着用Ｄ
Ｃ電源５により印加される静電吸着用電圧、Ｖｄｃはプ
ラズマ中の電子によって半導体ウエハ９に帯電する負の
帯電電圧である。

【００５３】ここで、式（３）より、半導体ウエハ９の
静電吸着力を大きくするには、静電吸着電圧Ｖｆが大き
くなればよいことになる。

【００５４】よって、半導体ウエハ９中には電子が取り
込まれていくので、処理時間が経過すればするほど自己
バイアス電圧Ｖｄｃは大きくなり、処理前の静電吸着用
ＤＣ電源５により印加される一定の静電吸着用電圧Ｖｅ
ｓｃだけの吸着力よりも、静電吸着電圧Ｖｆも大きくな
り、さらに安定した吸着力が得られるようになる。

【００５５】それにより、本発明によれば、処理時間の
経過によっても半導体ウエハ９の吸着力がなくなること
がなくなり、冷却ガスの圧力などによる半導体ウエハ９
のはがれや落下がなくなる。

【００５６】（実施例２）図３は、本発明の実施例２に
よる平行平板形プラズマエッチング装置の要部構成図で
ある。

【００５７】本実施例２においては、下部電極３に印加
する静電吸着用電源が、電圧値を可変できる静電吸着用
可変ＤＣ電源（可変正電電圧印加手段）５ａとなり、こ
の静電吸着用可変ＤＣ電源５ａは、制御手段１０の制御
信号により自動的に所定の電圧値を出力することができ
る。

【００５８】また、半導体ウエハ９は、半導体ウエハ９
の帯電圧を測定するための電圧測定手段１１が接続さ
れ、その測定結果の信号が制御手段１０に入力されてい
る。

【００５９】この半導体ウエハ９の帯電電圧の測定は、
たとえば、測定用プローブ１１ａを半導体ウエハ９の所
定の箇所に接触させることによって行う。

【００６０】そして、半導体ウエハ９の処理中には、絶
えず半導体ウエハ９の帯電圧を測定し、その電圧値が変
化すると制御手段１０が静電吸着用可変ＤＣ電源５ａに
制御信号を出力し、下部電極３に印加している電圧値を
変化させる。

【００６１】たとえば、プラズマ発生前に静電吸着用可
変ＤＣ電源５ａから下部電極３に印加されている電圧が
Ｖａ（Ｖ）であるとすると、プラズマ発生後には、プラ
ズマ中の電子が半導体ウエハ９に入り込こまれることに
より、半導体ウエハ９が負の電圧となってしまう。

【００６２】ここで、半導体ウエハ９の負の電圧をＶｂ
（Ｖ）とすると、半導体ウエハ９の電圧を絶えず測定し
ている電圧測定手段１１は、このＶｂ（Ｖ）の測定結果
を制御手段１０に出力する。

【００６３】さらに、制御手段１０はこの測定結果を基
に、静電吸着用可変ＤＣ電源５ａの出力電圧を半導体ウ
エハ９から測定された電圧分であるＶｂ（Ｖ）だけ小さ
く、即ち、静電吸着用可変ＤＣ電源５ａの出力電圧をＶ
ａ＋Ｖｂ（Ｖ）に可変する。

【００６４】これらのことを処理中に絶えず行うことに
より、下部電極３に印加される電圧は一定となり、半導
体ウエハ９の静電吸着力も処理時間が経過しても一定と
なる。

【００６５】それにより、本実施例２によれば、処理時
間が経過しても、半導体ウエハ９の静電吸着力は絶えず
一定となり、安定した吸着力を得ることができる。

【００６６】また、静電吸着用電圧が静電吸着するため
に必要最低限の吸着電圧を電極に印加するだけでよくな
り、半導体ウエハ９および半導体デバイスに対するダメ
ージを最小に抑えることができる。

【００６７】（実施例３）図４は、本発明の実施例３に
よる平行平板形プラズマエッチング装置の要部構成図で
ある。

【００６８】本実施例３においては、誘電体３ａの表面
上の所定の箇所に、半導体ウエハ９の吸着力を測定する
ための圧力測定手段１２が設けられている。

【００６９】また、この圧力測定には、たとえば、圧力
センサ１２ａなどを誘電体３ａの表面に埋設することに
よって測定している。そして、圧力測定手段１２により
測定された圧力値は、制御手段１０に入力される。

【００７０】半導体ウエハ９の処理中には、絶えず半導
体ウエハ９の裏面圧力を測定し、その圧力値が変化する
と制御手段１０が静電吸着用可変ＤＣ電源５ａに制御信
号を出力し、下部電極に印加している正電圧の電圧値を
変化させる。

【００７１】たとえば、プラズマ発生前に静電吸着用可
変ＤＣ電源５ａから下部電極３に印加されている電圧が
Ｖａ（Ｖ）であるとすると、プラズマ発生後には、プラ
ズマ中の電子が半導体ウエハ９に入り込こまれることに
より、半導体ウエハ９が負の電圧となってしまう。

【００７２】ここで、半導体ウエハ９の負の電圧をＶｂ
（Ｖ）とすると、Ｖｂの値が大きくなると下部電極３と
半導体ウエハ９との電圧の差も大きくなるので、静電吸
着力が大きくなり圧力センサ１２ａが測定する圧力値も
大きくなる。

【００７３】そして、半導体ウエハ９の裏面圧力値を絶
えず測定している圧力測定手段１２は、この測定結果を
制御手段１０に出力し、制御手段１０はこの測定結果を
基に、静電吸着用可変ＤＣ電源５ａの出力電圧を半導体
ウエハ９が最適の圧力値、即ち吸着力となるまで静電吸
着用可変ＤＣ電源５ａの印加電圧を可変する。

【００７４】これらのことを処理中に絶えず行うことに
より、半導体ウエハ９の静電吸着圧力は処理時間が経過
しても一定となる。

【００７５】それにより、本実施例３によれば、処理時
間が経過しても、半導体ウエハ９の静電吸着圧力は絶え
ず一定となり、安定した吸着力を得ることができる。

【００７６】また、静電吸着用電圧が静電吸着するため
に必要最低限の吸着電圧を電極に印加するだけでよくな
り、半導体ウエハおよび半導体デバイスに対するダメー
ジを最小に抑えることができる。

【００７７】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【００７８】

【発明の効果】本願によって開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００７９】（１）本発明によれば、正の電圧を電極に
印加することにより、小さな印加電圧によって電極と被
処理体との電圧の差を大きくできる。

【００８０】（２）また、本発明では、被処理体の電圧
値または被処理体の静電吸着圧力の変化により印加する
電圧を可変しているので、必要最低限の静電用吸着電圧
が印加されることになり、被処理体が一定の力で、安定
して吸着される。

【００８１】（３）さらに、本発明においては、上記
（１),（２）により、冷却ガスの印加圧力などによる被
処理体のはがれや落下などがなくなり、電極に印加され
る電圧が必要最小限となるので半導体ウエハおよび半導
体デバイスに及ぼすダメージを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による平行平板形プラズマエ
ッチング装置の要部構成図である。

【図２】本発明の実施例１による正電位の静電用吸着電
圧を印加したときの電圧分布図である。

【図３】本発明の実施例２による平行平板形プラズマエ
ッチング装置の要部構成図である。

【図４】本発明の実施例３による平行平板形プラズマエ
ッチング装置の要部構成図である。

【図５】（ａ),（ｂ）は、本発明者が検討した平行平板
形プラズマエッチング装置における半導体ウエハの静電
吸着機構の模式図である。

【符号の説明】

１処理室１ａガス導入孔１ｂ排気孔２上部電極３下部電極（電極）３ａ誘電体（絶縁体）４高周波電源５静電吸着用ＤＣ電源（正電圧印加手段）５ａ静電吸着用可変ＤＣ電源（可変正電圧印加手段）６温度調節手段７冷却ガス導入機構８真空ポンプ９半導体ウエハ（被処理体）１０制御手段１１電圧測定手段１１ａ測定用プローブ１２圧力測定手段１２ａ圧力センサ３０誘電体３１電極３１ａ電極３２静電吸着用直流電源３２ａ静電吸着用直流電源３３半導体ウエハ

フロントページの続き (72)発明者中條和維東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者河合和彦東京都小平市上水本町５丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ処理を行う被処理体を固定する
電圧が印加される電極と、前記電極の上面に形成され、
前記被処理体と電極とを絶縁する絶縁体と、前記電極に
正電圧を印加する正電圧印加手段とを設け、前記電極に
印加された正電圧と前記被処理体との電位差により発生
する静電気力により被処理体を固定させることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項２】プラズマ処理中に、前記被処理体の静電
吸着力を測定する測定手段と、前記測定手段から出力さ
れた測定値に基づいて前記被処理体と電極との静電吸着
力を一定に制御する制御手段とを設け、前記正電圧印加
手段が、前記制御手段から出力された信号により正電圧
の出力を可変する可変正電圧印加手段よりなることを特
徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記測定手段が、前記被処理体の帯電電
圧を測定する電圧測定手段よりなり、前記制御手段が、
前記可変正電圧印加手段から出力される正電圧値を可変
させることによって前記電圧測定手段により測定された
電圧と前記可変正電圧印加手段から出力される電圧との
差を一定にさせることにより、静電吸着力を一定にする
ことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記測定手段が、前記絶縁体に被処理体
が吸着される圧力を測定する圧力測定手段よりなり、前
記圧力測定手段から出力された信号により前記制御手段
が、前記可変正電圧印加手段の正電圧の出力を可変さ
せ、静電吸着力を一定にすることを特徴とする請求項２
記載のプラズマ処理装置。