JPH0730468B2

JPH0730468B2 - ドライエッチング装置

Info

Publication number: JPH0730468B2
Application number: JP63142629A
Authority: JP
Inventors: 勉塚田; 敏雄田巻; 達彦吉田
Original assignee: 日電アネルバ株式会社
Priority date: 1988-06-09
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1995-04-05
Anticipated expiration: 2010-04-05
Also published as: EP0346131A2; JPH01312087A; US4968374A; EP0346131A3

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高周波グロー放電によって発生するガスプラ
ズマを利用して、半導体集積回路製造用シリコン基板等
の基板にエッチング処理を行なう、ドライエッチング装
置の新規な構成に関する。

（従来の技術とその問題点）現在、高周波グロー放電を利用して被処理基板（以下単
に基板ともいう）をエッチング処理するドライエッチン
グ装置が半導体集積回路の製造で盛んに使用されてい
る。中でも、高周波印加電極上に基板を置いてエッチン
グする反応性イオンエッチング（RIE）装置は、異方性
エッチングが可能で且つ量産性に優れるため、半導体デ
バイス製造の各プロセス工程で多用されるようになって
きた。

ところが、当初のこの種の装置は、被処理基板を高周波
印加電極上（または、その上に置かれた基板載置台上）
に、ただ単に載置するだけの構成をとっていたため、基
板はプラズマによって容易に加熱され、基板温度が上昇
してエッチングマスクのフォトレジストが熱損傷を受け
たり、エッチング形状が悪化したりし、エッチング速度
の向上をはかることやエッチング形状を思い通りに制御
することが難しいという欠点があった。

このため、エッチング中に基板を所望する温度に冷却す
る目的で、基板を電極（またはその上に置かれた基板載
置台）に機械的にクランプして両者間の熱接触を向上さ
せたり、基板の裏面にHe等のガスを流して基板と基板載
置面との間の熱伝達効果を増大させて冷却をはかった
り、基板載置部の下方に直流電極を仕込んで、基板を静
電力によって基板載置台に密着（静電チャック）させ熱
伝達を向上させる等の方法が考案された。特に最後の静
電チャック法は、構造が比較的簡単で冷却効果が大きい
ため種々の方法が考案されている。

例えば、特公昭56-53853号公報（特開昭55-90228号公
報）「ドライエッチング装置」に示される、ガスプラズ
マの電気伝導性を利用する静電チャック法は、高周波印
加電極とガスプラズマとが誘電体膜を挟む電極として働
くため、簡便でかつ基板に与えるダメージが少なく、ガ
スプラズマが存在する期間にだけ静電チャック力が働く
ため基板の着脱が容易で、非常に有効な方法であった。
その公報のドライエッチング装置の概略の構成を第５図
の断面図で示す。101は高周波電源、102は高周波印加電
極、103は基板、104は対向電極、105は誘電体膜であっ
て基板103がこの上に載置され静電チャックされるも
の、106は絶縁体、107は直流電源、108は高周波遮断回
路、109は高周波整合回路、110は高周波印加電極102上
の導電性ゴムシート、111はプラズマ、112は高周波印加
電極102の冷却系、113は真空容器、114は排気系、115は
ガス導入系である。

しかし上記のドライエッチング装置でエッチングした場
合種々の問題を生じた。特に複数枚の基板を一括処理す
るために高周波印加電極102の面積を大きくしたバッチ
式ドライエッチング装置では、その広面積の、高周波印
加電極上の導電性ゴムシート110の表面の全面に渡っ
て、誘電体膜105を完全に密着させて隙間なく被うこと
は、非常に難しいばかりでなく、たとえ隙間なく被覆で
きたとしても、真空容器113内を真空に排気すると、誘
電体膜105の下部に僅かな隙間が生れて、プラズマを発
生させたときそこに異常放電を生じ、静電チャックが働
かなくなるばかりでなく、誘電体膜105が破壊された
り、前記の静電チャック用直流電源107が破壊されてし
まったりする欠点があった。

この異常放電は、エッチング時に基板103に誘起される
負の数100Vのセルフバイアス電圧と、高周波印加電極10
2、従って、その上の導電性ゴムシート110に印加される
直流電圧との間の電位差による静電力で基板を静電チャ
ックすることを目的として、高周波印加電極に正の1kV
程度の直流電圧を直流電源107から印加しているため起
こるものであって、プラズマ放電中に僅かな隙間を通し
てプラズマ内の電子が高周波印加電極に流れ込むために
生じた放電である。

この放電は静電チャック用電圧の正負を逆にしてみても
同じように発生する。この場合は前記の隙間にイオンが
流れ込むことになる。

この放電の発生を避けるために本願の発明者は、第６図
の装置即ち、特開昭57-149734号公報「プラズマ応用加
工装置」に示すように、冷却系112を装備し、シールド
板211および誘電体電極カバー212でその表面を被われた
高周波印加電極203の上に、複数の基板載置台206を設け
て、それぞれの基板載置面の直下部だけに、誘電体膜10
5で被われた（しかも誘電体207で高周波印加電極203と
は絶縁された）電極208を埋め込み、この電極208だけに
直流電源101から高周波フィルター109を介して直流電圧
を印加するという方法を試みたのであったが、この方法
には直流電圧印加の配線に困難があるばかりでなく、図
のように複数の基板載置台206を高周波印加電極203上に
設置するときは、基板のエッチング特性が、基板載置台
206の僅かな構造の相違等の影響を受けてばらつきを生
ずるという欠点あった。

さらに、第５図、第６図の従来の装置には、電極110、2
08の表面を、誘電体膜105で完全に密着させて覆うこと
ができたとしても、長時間のドライエッチング中には誘
電体膜105が劣化して、誘電体膜105の交換が必要となる
という事態をしばしば生じ、この交換のために多大の時
間と労力を必要とするという新たな問題を生じた。これ
ら電極に誘電体を貼り付けたとしても、その誘電体膜が
実用に耐えるかどうかは、実際に真空中でドライエッチ
ングして見るまでは分からず、またその成功の確率も低
いため実際の大規模集積回路の製造ラインにこのドライ
エッチング装置を採用するには問題があった。

（発明の目的）本発明は、上記問題を解決するためになされたものであ
って、比較的単純な構造の基板載置台および誘電体部材
の組立で作られる高周波印加電極構造によって、ドライ
エッチング中に基板を十分強力に基板載置台に静電チャ
ックし、安全且つ充分に基板を冷却して、均一性および
再現性の優れたエッチングを行なうことのできる新規な
ドライエッチング装置の提供を目的とする。

（問題を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するために、反応性ガス等のガ
ス導入手段を設けた真空容器内に被処理基板を載置する
高周波印加電極を備え、反応性ガス等のガスプラズマに
より該基板をエッチングするドライエッチング装置にお
いて、ａ、高周波印加電極のプラズマに接する側の表面の全面
を、基板載置台と、着脱自在の誘電体部材とで被い、か
つ、ｂ、基板載置台は、導電材料で形成されて基板を載置す
る側の表面が導体表面とされるか又は基板を載置する表
面の直下近傍に埋設された導電体を有しており、該導体
表面又は導電体は高周波印加電極と同電位になるもので
あるとともにその導体表面又は導電体の表面は誘電体膜
で被われており、さらに、ｃ、誘電体部材と基板載置台とが形成する隙間又は誘電
体部材が複数設けられた場合のその誘電体部材同士が形
成する隙間が屈折した状態となるような形状を、誘電体
と基板載置台又は誘電体同士が有し、この結果、該隙間
を通してのプラズマ空間から高周波印加電極への電子又
はイオンの流入経路が屈折した状態となっており、ｄ、高周波印加電極へは、高周波電力印加時のプラズマ
放電で発生する負のセルフバイアス電圧よりも絶対値の
大きい負の直流電圧を、高周波フィルターを介して印加
する手段を備えたものである。

前記目的の効果を向上させるために、曲折部を複数ヶ所
設けたり、基板載置台の基板載置面を囲んで、基板の外
周よりも小さな外周を持ち、且つ基板の外周よりも大き
い外周を持った、着脱自在の誘電体リングを備える構造
は有用である。

（作用）上記構成からなる本発明のドライエッチング装置では、
高周波印加電極の表面は、誘電体で被われた基板載置台
と、着脱自在の誘電体部材とで完全に被われていて、し
かも、誘電体部材と基板載置台とが形成する隙間又は誘
電体部材が複数設けられた場合のその誘電体部材同士が
形成する隙間が屈折した状態となるような形状を、誘電
体と基板載置台又は誘電体同士が有し、かつ、高周波印
加電極には、放電中に基板に生じる負のセルフバイアス
電圧よりも絶対値の大きい負の直流電圧が高周波印加電
極に印加されているため、プラズマから「電子」が直流
的に高周波印加電極に流入することは無くなる。

電子に代わって「イオン」が高周波印加電極に直流的に
流入するが、そのイオン電流の量も、プラズマ空間から
高周波電極への電子又はイオンの流入経路が屈折した状
態となっているために極めて抑制される。その抑制の度
合は電子電流の場合よりも遥かに大である。曲折の回数
の多い構成にすればする程その効果は大きい。また、たとえイオンの流入が生じたとしても、後述のようにイ
オン電流量はたかだか数mA/cm²以下にとどまるため、そ
の小さいリーク電流量は、静電チャック電源に影響を与
えることがなく、ドライエッチング中のセルフバイアス
電圧にも殆んど影響を与えない。従ってドライエッチン
グ特性に基板毎のバラツキを生じるような不具合は発生
しない。

また、高周波印加電極に印加する直流の負電圧はいくら
その絶対値を大きくしてもイオン電流値は小量で飽和し
てしまう特性があるので、基板と基板載置面下の導体表
面との間には充分に大きな電圧を（誘電体膜を介して）
印加でき、大きい静電チャック力が利用できる。

なお、基板が基板載置面に吸着されるのは、従来同様ド
ライエッチング作業中だけであり、ドライエッチング前
後の基板の着脱は容易である。

なお、基板載置台の基板載置面の周囲に、基板の外周よ
り小さな内周を持ち、基板の外周よりも大きい外周をも
つ着脱自在な誘電体リングを設置することでは、特に、
基板載置台表面の（静電チャック用の）非常に薄い誘電
体膜が、エッチングでその寿命を短くするのを防止し、
かつ、前記したイオンの流入経路を屈折した状態とする
ことを極めて容易にする。

（実施例）第１図は本発明の実施例の平行平板型リアクティブイオ
ンエッチング装置の概略の正面断面図であって、接地さ
れた真空容器１内に、高周波印加電極２と、接地された
対向電極３が、電極面を互いに平行にして設置されてい
る。

高周波印加電極２の上には複数個のアルミニウム製の凸
型の基板載置台４が設置されている。基板９はこの凸型
の頭頂部を覆って載置され、頭頂部の面積は基板の面積
よりも小さく、完全に基板で隠れるようになっている。

この基板載置台４の底面は高周波印加電極２と当接し電
気的にも接触している。底面以外の面は全て25μｍの厚
さのポリイミドフイルム５で被われている。尚、上述の
頂頭部の表面は、「基板を載置する側の表面」である
が、この表面は、上述の如く基板載置台４の底面が高周
波印加電極２に当接すること及び基板載置台４はアルミ
ニウム製であることから、高周波印加電極２と同電位な
るものであり、且つポリイミドフィルム５からなる誘電
体膜で被われたものである。

高周波印加電極２の表面（対向電極に相対する面）の、
基板載置台４以外の部分は、第１の誘電体カバー６およ
び第２の誘電体カバー７で被われている。両誘電体カバ
ー6,7および基板載置台４を上方に持ち上げて、高周波
印加電極２から簡単に取り外すことができるようになっ
ている。即ち、着脱自在で組立、解体の容易な構造とな
っている。

さらに、基板載置台４の凸型の肩の周囲には、誘電体リ
ング８が嵌め込まれていて、基板９の裏面の周囲の基板
載置台４からはみ出した部分はこの誘電体リング８の上
に載っている。この誘電体リング８も着脱自在であって
容易に上方に抜き取ることができる。この誘電体リング
８の内径は基板９の外径よりもやや小さく、かつ、誘電
体リング８の外径は基板９の外径よりやや大きい。従っ
て、組立が完了して基板９が基板載置台４に載置された
ときには、基板載置台４の表面を被うポリイミドフイル
ム５は、基板９と誘電体リング８と第1,2の誘電体カバ
ー7,8によって完全に被われる構造となっている。

これら第１、第２の誘電体カバー６、７と誘電体リング
８および基板載置台４が形成する隙間は、図に示すよう
に複数の位置（図の現状では４つの位置）で屈折し、こ
の隙間を通してのプラズマ空間から高周波印加電極２へ
の電子又はイオンの流入経路が屈折した状態となってい
る。

高周波印加電極２の側面と裏面は、第３および第４の誘
電体スペーサー11および12（これらは着脱自在とする必
要はない）を介して、シールド板13がカバーしている。

さて、本構成の装置の働かせ方であるが、例えば、シリ
コン基板上に微細な溝ないし穴を加工するシリコントレ
ンチエッチングの場合で述べると、排気導管14に接続さ
れた真空ポンプ（図示しない）によって真空容器１内を
真空に排気する。次にガス導入バルブ15を開いて、SiCl
₄を含むガスを、圧力が15mTorrになるまで導入する。

高周波印加電極２を、冷媒を循環して冷却しながら（冷
却には第６図と同様の構造が採用できる。図示を略し
た）、高周波電源16よりブロッキングコンデンサー17を
介して13.56MHz、1000Wの高周波電力を高周波印加電極
２に投入する。これと同時に、スイッチ21をONにし、直
流電源20から高周波フィルター用のコイル18とコンデン
サー19を介して、負の直流電圧2kVを高周波印加電極２
に印加する。

高周波電力の投入によって、プラズマ空間10にはSiCl₄
を含むガスのプラズマが発生し、基板９には負のセルフ
バイアス電圧（約500V）が生じて、プラズマよりイオン
が引き寄せられ、このイオンとプラズマで作られた活性
ラジカルの相互作用により、基板９がいわゆる反応性イ
オンエッチング（RIE）される。

このとき高周波印加電極２およびこれと同電位の基板載
置台４には、負の直流電圧が電源20から印加されている
ため、厚さ25μｍのポリイミドフイルム５を挟んで、基
板９と基板載置台４の間には電位差が生じている。

直流電源20から高周波印加電極２に印加する負の電圧を
大きくし、基板９に誘起されるセルフバイアス電圧（負
の約500V）よりもさらに1kVだけ負にするような電圧即
ち負の約1.5kVの電圧を印加すると、基板９は基板載置
台４に静電吸着されて、基板９は効率よく冷却されるよ
うになる。

高周波印加電極２および基板載置台４の電位は、セルフ
バイアス電位よりもかなり深い負の電位にあるため、高
周波印加電極２の表面を被って組み立てられた基板載置
台４、誘電体膜としてのポリイミドフィルム５、誘電体
カバー6,7、誘電体リング８、および誘電体スペーサー1
1,12の各部材が形成する隙間を通って、「電子電流」が
流れることはない。従って、従来のように過大な電子電
流によって誘電体部材が絶縁破壊を起こすという事態は
完全に避けられる。

その代わりに、プラズマ中のイオンが前記の隙間を通し
て高周波印加電極２に流れ込むことになるが、「イオン
電流」には、第２図のプラズマのプローブ特性（詳細後
述）に示されるように、実用時の電圧値（本発明の実施
例のイオン電流の場合をｐ、従来の電子電流の場合をｑ
で示す）で、電子電流の数百分の一乃至数千分の一の値
で電流が飽和する性質があるため、過電流によって絶縁
破壊が起きるということはない。

さらに、イオン電流の通過する前述した隙間の曲折は、
このイオン電流の抑制と放電の防止に役立ち、曲折を複
数にすれば、イオン電流は無視できる程度の大きさにな
ることが実験で確かめられた。

さて、先述の第２図のプラズマのプローブ特性の図の説
明であるが、これは、第２図ａに略示したような平行平
板型エッチング装置の、高周波印加電極２と対向電極３
の間の空間に、高周波電源44からの高周波電力で容器１
内にプラズマを発生させ、このプラズマにプローブ401
を挿入して、電源402からプローブに印加する直流電圧
を様々に変化させて、電圧計403の指示と電流計404の指
示をプロットし曲線を描いたものである。

この第２図のプローブ特性から、プローブ電圧が負の領
域では電流（イオン電流）が直ぐ飽和し、実用時の電圧
（前記のｐとｑ）では、電圧正の領域の電流（電子電
流）の数百〜数千分の１程度の小さい電流しかプローブ
に流れ込まないことが明かである。本発明では、本願の
発明者らが実験で見いだしたこの現象が利用されてい
る。

第３図は、基板載置台４の部分の他の実施例の構造を示
した正面断面図である。第１図と同機能の部材には同符
号を使用し説明を省略している。

この場合の基板載置台４はセラミックスで成形されてお
り、基板載置台４の基板を載置する側の面に載置された
基板９の直下の数10〜数100μｍの深さのところには、
金属膜電極505が埋め込まれ、導電体としての金属膜電
極505はスルーホールのリード線506によって高周波印加
電極２と電気的に接続されている。従ってここでも両者
は同電位である。

基板載置台４′の周囲にはそれぞれ着脱自在な誘電体リ
ング８、第１および第２の誘電体カバー６および７が設
置されて、高周波印加電極２がプラズマに晒されるのを
防いでいる。基板９の外周よりも内径が小さく、基板９
の外周よりも外径が大きい誘電体リング８が、基板載置
台４の外周に設けられていて、誘電体膜（セラミック
ス）として機能する基板載置台４のうちの金属膜電極50
5と基板９との間の部分507を保護し、その寿命を長くし
ている。

第４図a,bは、ドライエッチング装置によりシリコン基
板上にSiO2をマスクとして、幅1.0μｍ、深さ4.5μｍの
トレンチをエッチングで作ったときの、トレンチの断面
形状であって、ａ図は、本発明の実施例の第１図の装置
によりシリコン基板を10℃に冷却された基板載置台４に
吸着させてエッチングしたときのトレンチの形状であっ
て、サイドエッチングがなく、垂直側壁を持ち、しかも
トレンチの底部に丸みのある理想的なトレンチ形状が得
られている。ｂ図は、ａ図と同一条件下で、静電チャッ
クを働かせないでシリコン基板をエッチングした場合の
例であり、側壁にくぼみのある、いわゆるボーイング形
状のトレンチ形状となっている。形状が一定せずバラツ
キの程度も大きく、実際のVLSIデバイスにはとうてい使
用できないものであった。

さて上記の実施例は、基板を複数枚処理するバッチ装置
に本発明を応用する場合を述べたものであるが、本発明
の利用はバッチ処理の装置に限定されるものではなく、
基板を一枚一枚エッチングする枚葉処理装置に適用して
もその威力を発揮することはいうまでもない。

また本発明で使用する誘電体や電極の材質も、ポリイミ
ド、セラミックス、アルマイト等に限定されるものでな
いことはいうまでもない。またその厚みにも限定はな
い。

また、本発明の利用は、反応性イオンエッチング装置に
も限定されるものでなく、他の種類のドライエッチング
装置にも十分適用できるものである。

（発明の効果）本発明によれば、基板を基板載置台に充分強力に静電チ
ャックしながらドライエッチングできるため、基板の冷
却が充分でその温度が安定する効果がある。そのため均
一性および再現性の優れたエッチング加工の可能なドラ
イエッチング装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の反応性イオンエッチング装置
の要部の概略断面図。第２図はプラズマ中のプローブ電圧−電流特性を示した
グラフ。第２図ａはその測定の図。第３図は他の実施例の基板載置台部の断面図。第４図ａは、本発明の実施例の装置によりシリコントレ
ンチエッチングを行なったときのトレンチの断面図。第４図ｂは、同じ条件で静電チャックを行なうことなく
シリコントレンチエッチングを行なったときのトレンチ
の断面図。第5,6図はそれぞれ従来のドライエッチング装置の断面
図である。１……真空容器、２……高周波印加電極、４……基板載
置台、５……ポリイミドフイルム、６……第１の誘電体
カバー、７……第２の誘電体カバー、８……誘電体リン
グ、９……基板、18……高周波フィルターコイル、19…
…高周波フィルターコンデンサー、20……負の直流電
源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−175424（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−252943（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−103439（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応性ガス等のガス導入手段を設けた真空
容器内に被処理基板を載置する高周波印加電極を備え、
該反応性ガス等のガスプラズマにより該基板をエッチン
グするドライエッチング装置において、ａ、該高周波印加電極のプラズマに接する側の表面の全
面は、基板載置台と、着脱自在の誘電体部材とで被われ
ており、かつ、ｂ、該基板載置台は、導電材料で形成されて基板を載置
する側の表面が導体表面とされるか又は基板を載置する
表面の直下近傍に埋設された導電体を有しており、該導
体表面又は導電体は高周波印加電極と同電位になるもの
であるとともにその導体表面又は導電体の表面は誘電体
膜で被われており、さらに、ｃ、前記誘電体部材と基板載置台とが形成する隙間又は
誘電体部材が複数設けられた場合のその誘電体部材同士
が形成する隙間が屈折した状態となるような形状を、誘
電体と基板載置台又は誘電体同士が有し、この結果、該
隙間を通してのプラズマ空間から高周波印加電極への電
子又はイオンの流入経路が屈折した状態となっており、ｄ、該高周波印加電極へは、高周波電力印加時のプラズ
マ放電で発生する負のセルフバイアス電圧よりも絶対値
の大きい負の直流電圧を、高周波フィルターを介して印
加する手段を備えている、ことを特徴とするドライエッチング装置。
【請求項２】前記誘電体部材同士又は誘電体部材と基板
載置台とは、複数の位置で屈折した隙間を形成する形状
を有していること特徴とする特許請求の範囲台１項記載
のドライエッチング装置。
【請求項３】該基板載置台の基板載置面を囲んで、基板
の外周よりも小さな円周を持ち、且つ基板の外周よりも
大きい外周を持った、着脱自在の誘電体リングを備える
ことを特徴とする特許請求の範囲第１または２項記載の
ドライエッチング装置。