JPH09172056A - 半導体基板のプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電チャックを備えた半導体基板のプラズマ
処理装置において、静電チャックの吸着機構部の熱伝達
性に優れ、あわせてプラズマ放電の台座への回り込みを
防止できる静電チャックを備えたプラズマ処理装置にか
かわる。 【解決方法】 半導体基板を静電チャックで吸着固定す
る機構を備えた半導体基板のプラズマ処理装置におい
て、該静電チャックは吸着機構部と金属台座と該台座と
吸着機構部の間にインサートされたプラズマ処理用の高
周波電圧を印加する下部電極からなる構造であって、該
台座、吸着機構部、下部電極は互いに接合されてなると
共に、該下部電極は側面を電気絶縁材料で包囲、遮蔽さ
れ、かつ該台座と電気的に絶縁されてなることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電チャックで半導体
基板を吸着固定する機構を備えた半導体基板のプラズマ
処理装置にかかわり、さらに詳しくは、静電チャックの
吸着機構部の熱伝達性に優れ、あわせてプラズマ放電の
台座への回り込みを防止できるプラズマ処理装置にかか
わるものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板のプラズマ処理装置では、静
電チャックは基板をプラズマ処理する際の吸着、固定に
多く利用されている。構造的には熱伝導に優れたアルミ
ニウム等の金属台座の上に誘電体セラミックの円盤が有
機接着剤で接着され、あるいは機械的に固定され、さら
に台座金属の露出面は電極カバーを被せられており、特
別な場合を除き台座の裏面は冷却あるいは加温されて一
定温度に調節されている。かかる従来構造の問題点は、
まず第一に熱伝達阻害の問題、第二にプラズマ放電の回
り込みの問題である。第一の熱伝達の問題は、セラミッ
クと台座を有機接着剤で接着するために、あるいは単に
機械的に当接、固定しているだけであるので、セラミッ
ク、台座の境界部の熱伝達が阻害されるために起こった
問題である。第二のプラズマの回り込みの問題は、台座
金属がプラズマ放電の下部電極の役割も兼ねているため
に、本来発生すべき場所ではない電極カバーと台座金属
の間、あるいはセラミックのリフトピン孔等からプラズ
マが回り込んで侵入して異常放電が発生する場合があ
り、この結果、セラミックや台座が損傷したり、本来の
基板のプラズマ処理に異常が発生する問題である。

【０００３】

【発明が解決する課題】本発明は、かかる状況に鑑みて
なされたもので、その目的とするところは、上記した静
電チャックで吸着固定する機構を備えた半導体基板のプ
ラズマ処理装置において、上記した静電チャックの熱伝
達阻害の問題と、プラズマの回り込みによる異常放電の
問題を解決できるプラズマ処理装置の新しい構造を提供
せんとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題は次の手段によ
って解決される。すなわち、 １．半導体基板を静電チャックで吸着固定する機構を備
えた半導体基板のプラズマ処理装置において、該静電チ
ャックは吸着機構部と金属台座と該台座と吸着機構部の
間にインサートされたプラズマ処理用の高周波電圧を印
加する下部電極からなる構造であって、該台座、吸着機
構部、下部電極は互いに接合されてなると共に、該下部
電極は側面を電気絶縁材料で包囲、遮蔽され、かつ該台
座と電気的に絶縁されてなることを特徴とする半導体基
板のプラズマ処理装置。 ２．半導体基板のプラズマ処理用静電チャックにおい
て、該静電チャックは吸着機構部と電気絶縁性セラミッ
ク台座と該台座と吸着機構部の間にインサートされたプ
ラズマ処理用の高周波電圧を印加する下部電極からなる
構造であって、該台座、吸着機構部、下部電極は互いに
接合されてなると共に、該下部電極は側面を電気絶縁材
料で包囲、遮蔽されてなることを特徴とする半導体基板
のプラズマ処理装置。 ３．上記下部電極材料が上記吸着機構部と台座接合部の
応力緩衝材料である１あるいは２に記載のプラズマ処理
装置。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明のプラズマ処理装置に使用
する静電チャックの吸着機構部とは、誘電体セラミック
と、このセラミック背面に形成された静電誘導電極を含
んだ構造全体の総称である。すなわち、単極方式の静電
チャックにあっては、誘電体セラミックと、このセラミ
ック背面に形成された静電誘導電極を併せた構造体が、
双極方式にあっては誘電体セラミックと、このセラミッ
ク背面に形成された静電誘導電極電極、およびこの電極
の背面を裏打ちするセラミック絶縁板からなる構造体が
吸着機構部となる。

【０００６】単極、双極とも、誘電体セラミックと誘電
電極および絶縁セラミック板は共に冶金的に接合され、
あるいは焼結によって接合されている。

【０００７】従来構造の静電チャックでは、台座金属が
プラズマ処理用の高周波電圧を印加する下部電極を兼ね
ているが、本発明構造では、下部電極は吸着機構部と台
座の間に挟まれて接合されており、しかも台座（金属の
場合）と電気的に絶縁されている。

【０００８】単極方式の静電チャックでは誘電体セラミ
ックの背面に直接下部電極を張付け、この下部電極に静
電誘導の電極を兼ねさせてもよい。つまり静電誘導用の
直流電圧とプラズマ処理用の高周波電圧を重畳して印加
しても良い。あるいは誘電体セラミックの背面にまず電
極を形成し、電極の裏をセラミック層で絶縁し、この絶
縁層の裏に高周波電圧印加用の下部電極を接合してもよ
い。双極方式では誘電電極の背面を裏打ちするセラミッ
ク絶縁板の裏面に高周波電圧を印加する下部電極が接合
されることとなる。下部電極と台座の接合に当たって、
台座が金属の場合、下部電極は電気絶縁された状態で台
座と接合される。つまり下部電極と台座の間に絶縁セラ
ミック層を挟んで接合される。台座が絶縁性セラミック
の場合直接接合してよい。ここで、下部電極と吸着機構
部および台座との接合は必ずしも冶金的な接合、あるい
は焼結による接合でなくても良い。機械的な接合、つま
り当接した状態での固定でもよいが、伝熱性の観点から
は、冶金的接合、あるいは焼結による接合が好ましい。
下部電極の材料は、導電体であって、半導体に為害性の
無い材料で、使用温度で溶融しない材料であればすべて
使用できるが、とりわけ接合部の応力緩衝性がある材料
が好ましい。材質的には金属に限らずサーメットでもよ
い。下部電極が吸着機構部および台座に接合された状態
では、側面の厚さ部分はむき出しになっている。プラズ
マがこの露出した厚さ部分に回り込み異常放電が起こる
可能性がある。下部電極の露出した側面は周囲を電気絶
縁性セラミックで囲まれ、遮蔽されている。

【０００９】下部電極の側面の遮蔽には、それ自身に密
着して電気絶縁性セラミックの被膜を被覆する方法、あ
るいは離して電気絶縁性セラミック体で囲う方法、つま
り筒状の絶縁体で回りを囲って遮蔽する方法がある。本
発明ではいずれの方法でも有効である。筒状の絶縁体で
回り遮蔽する場合、別途調製した筒状の絶縁体を嵌合し
てもよいし、あるいは吸着機構部のセラミック（誘電体
セラミックあるいは絶縁セラミック板）の側面をスカー
トのように下に伸ばして下部電極の周囲を囲うようにし
てもよい。いずれにしてもこの筒上の絶縁体の下面は下
部電極と台座の接合面よりもさらに下に延ばしたほうが
よい。

【００１０】下部電極の材質は、応力緩衝を期待する場
合、誘電体セラミック及び台座金属の種類に応じて変え
ることが望ましい。台座がアルミニウム、銅、誘電体セ
ラミックがアルミナ系つまり熱膨脹係数が７〜８×１０
^６の場合、下部電極の材料には、熱膨脹係数が４〜１２
×１０^６の材料、たとえば、Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｃｒ，４
２％Ｎｉアロイ、４２Ｎｉ−６Ｃｒ，Ｔｉ，およびパー
ライト、フェライトをマトリックスとする炭素鋼、特種
鋼、Ｎｉ，ＷＣ−Ｃｏ超硬合金、ＴｉＣ−Ｎｉ系サーメ
ット等を使用できる。台座がアルミニウム、銅、誘電体
セラミックが炭化ケイ素、窒化アルミニウム系の場合、
つまり熱膨脹係数が４〜５×１０^６の場合、下部電極の
材料には、熱膨脹係数が３〜７×１０^６の材料、例え
ば、Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｃｒ，４２％Ｎｉアロイ，ＷＣ−
Ｃｏ超硬合金、ＴｉＣ−Ｎｉ系サーメット等を使用でき
る。

【００１１】ここで、冶金的接合とは、ろうづけ、拡散
接合を意味する。接合は活性金属のろう材を使って直接
接合してもよいし、あるいは予め接合面をメタライズし
てろうづけ、拡散接合してもよい。

【００１２】静電チャックの台座金属の表面には通常絶
縁性の電極カバーが被せられているが、本発明構造によ
って最早電極カバーは不要になる。

【００１３】吸着した処理基板を誘電体セラミック面か
ら持ち上げるのに通常リフトピンを使用する場合が多
い。誘電体セラミック、誘電電極、絶縁セラミック板、
下部電極、台座面を貫いて穿孔した孔をリフトピンが上
下する。したがってこの穿孔した孔の内面には金属がむ
き出しになっている。孔の中を通ってプラズマが回り込
むことがある。そこでこの場合も上記筒状の絶縁体のよ
うに孔の回りを遮蔽するように遮蔽リングを取りつける
のが好ましい。最も好ましいのは誘電体セラミックある
いは絶縁セラミック板と同材でリフトピンの孔の回りに
筒状の絶縁リングを形成する場合である。この時、筒状
の絶縁リング下端は、下部電極の下の面よりもさらにし
たに延ばしておくと、プラズマのすべての回り込みは防
止できる。

【００１４】台座は通常内面あるいは下面を冷却あるい
は加温されるが、本発明でも冷却、加温、そして更に台
座面をヒーター加熱するタイプのものにもすべて適用で
きる。

【００１５】発明の実施の形態を図面によって説明す
る。図１は単極式の例で、下部電極が電極を兼ね、台座
が金属の場合の構造を説明した模式図。図２は単極式の
例で下部電極と誘電電極が別々で、台座が絶縁セラミッ
クの場合の構造を説明した模式図。。図３は双極式の例
で、台座が金属で、冷媒、温媒で冷却あるいは加熱され
る場合の構造を説明した模式図。図４は双極式の例で、
台座が絶縁セラミック板で、ヒーター加熱される場合の
構造を説明した模式図。図５は双極式の例で、誘電電極
が誘電体セラミックの中に埋め込まれて一体焼結され、
下部電極は周囲を絶縁セラミックの溶射膜でくるまれ、
ヒーター回路がが焼き付けられたセラミック台座に接合
された場合の構造を説明した模式図。図６は双極式の例
で、周囲を絶縁セラミック膜でくるまれた下部電極が鋳
包ヒーターに直接接合された場合の構造を説明した模式
図である。図１で、誘電体セラミック１と下部電極２が
直接接合（ろうづけ）され、下部電極は絶縁セラミック
板３を挟んで金属台座５にろうづけされている。誘電体
セラミックの周囲には図に示すように袴をはかせたよう
に遮蔽リング４が同材から一体的に形成されている。袴
は下部電極の下面よりも下に伸びている。本例では下部
電極が誘電電極も兼ねている。図２で、誘電体セラミッ
ク１と絶縁セラミック板３の間に誘電電極７を形成し、
絶縁セラミック板３の裏に下部電極を接合している。台
座はセラミックであるので下部電極は台座に直接接合さ
れている。本例は誘電電極と下部電極を別々にわけた場
合である。誘電電極の側面には絶縁材料（樹脂あるいは
セラミック）６が充填されて絶縁されている。下部電極
の側面には下部電極と離して遮蔽リング４が遊嵌され、
これによって外部と遮蔽されている。図３は、袴形状の
遮蔽リングが誘電体セラミックと同材で一体的に形成さ
れ、下部電極は上下に絶縁板を挟まれて接合された場
合、図４は遮蔽リングが絶縁セラミック板と同材で形成
された場合の構造である。図４の場合も、誘電電極側面
の露出した部分に絶縁材６が充填されている。また、図
４，５，６は台座が加熱されて高温で使用される場合の
構造で、図４はセラミック台座の中にヒーター８が内蔵
された場合、図５は台座にヒーター回路９が焼き付けら
れた場合、図６は鋳包ヒーターが台座を兼ねる場合のも
のである。

【００１６】本発明処理装置は、少なくともプラズマ雰
囲気の発生する処理装置で静電チャックを装着した装置
全般に適用できるものである。プラズマエッチング、ア
ッシング、プラズマＣＶＤ，イオン注入、スパッタリン
グ等である。

【００１７】次に実施例を示す。 実施例１（下部電極が誘電電極を兼ねる例） 誘電体セラミック：図１に示す形状のＳｉＣ系の誘電体
セラミック（φ１５０×２ｔ）を使用（電極は単極方
式）。誘電体セラミックの裏面にＳｉ−２０Ｔｉ合金を
塗布して真空中（１×１０^５），１４５０℃で５分加熱
してメタライズ（約１０ミクロン）した。メタライズ面
にはさらにＮｉメッキした。 台座：アルミニウムを使用し、図１の形状に加工した。
接合面はＮｉメッキ。 下部電極板：厚さ２ｍｍ、φ１５０ｍｍのＭｏ板使用。
両面Ｎｉメッキ 絶縁セラミック板：厚さ１ｍｍ、φ１５０ｍｍの窒化ア
ルミニウム板を使用し、両面ともＴｉ、Ｔｉの上にＮｉ
をスパッタリングし、この上にさらにＮｉをメッキし
た。 ＜接合操作＞誘電体セラミックと下部電極、下部電極と
絶縁セラミック板、絶縁セラミック板と台座は全面接合
し、各接合部、下部電極の側面は、図に示すように、誘
電体セラミックのスカート部４で隠されるように接合し
た。ろう材にはＩｎ半田を使用した。下部電極板は図示
していない２対の電極ピンと接続してそれぞれ外部直流
電源および高周波電源と接続。 結果 割れ、剥離なく接合できた。 使用状況 電極ピンから直流電圧を下部電極板に印加してシリコン
ウエハーを吸着できた。また別の電極ピンから同時に高
周波電界を印加してシリコンウエハーのプラズマエッチ
ングの実処理に供して、プラズマの回り込みの状況を調
べた。延べ５０００時間テストするも、プラズマが回り
込んだ形跡は認められなかった。誘電体セラミック面の
冷却状況は、極めて良好で、セラミック表面の７０〜９
０℃の温度低下が認められた。なお、直流電源には高周
波カット用ローパスフィルター（Ｌ．Ｐ．Ｆ．）を挿入
して高周波電流をカット。

【００１８】実施例２ 誘電体セラミック ：図４に示す形状のサファイア（φ
１００×０．３ｔ）を使用（電極は双極）。サファイア
の裏面にＣｒをスパッタリング、Ｃｒの上にＮｉを５ミ
クロンをメッキして双極電極を形成した。 絶縁セラミック板 ：高純度セラミック使用。（φ１０
０×３ｔ） 絶縁セラミック板３片面誘電セラミックとの接合部には
誘電セラミックと同じ電極パターンを同じ方法で形成。
もう片面は全面メタライズ（同じ方法） 台座 ：高純度アルミナを使用し、図の形状に加工し
た。接合面は活性金属（Ｎｉ−５％Ｔｉ合金）でメタラ
イズし、更にＮｉメッキした。台座の内部にはニクロム
線を入れて底面を加熱できるようにした。 下部電極：厚さ４ｍｍ、 ８０ｍｍのＴｉ板使用。両面
Ｎｉメッキ ＜接合操作＞誘電体セラミックと絶縁セラミック板は電
極パターンの位置を向き合わせ、合致させて接合。絶縁
セラミック板と下部電極、下部電極と台座は全面接合。
各接合部および下部電極側面は、図に示すように、絶縁
セラミックのスカート部で隠されるように接合した。誘
電体セラミックと絶縁セラミック板の隙間（誘電電極側
面）には無機接着剤を充填して絶縁。ろう材には銀ろう
（ＢＡｇ−８）を使用した。 結果 割れ、剥離なく接合できた。 使用状況 ニクロム線に通電して３００℃に加熱，図示していない
電極ピンから双極電極に直流電圧（１０００Ｖ）印加し
てシリコンウエハーを吸着できた。図示していない別の
電極ピンから下部電極に高周波電圧を印加してシリコン
ウエハーのプラズマエッチングの実処理に供して、プラ
ズマの回り込み状況を調べた。のべ５０００時間テスト
するも、プラズマが内部に侵入した形跡は認められなか
った。

【００１９】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明装置の静電
チャックはプラズマの異常放電の発生を防止し、併せて
伝熱特性の極めて優れた特徴を有し、処理基板の損傷防
止、品質向上と生産性向上に大きく寄与するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は単極式の例で、下部電極が電極を兼ね、
台座が金属の場合の構造を説明した模式図。

【図２】図２は単極式の例で下部電極と誘電電極が別々
で、台座が絶縁セラミックの場合の構造を説明した模式
図。

【図３】図３は双極式の例で、台座が金属で、冷媒、温
媒で冷却、加熱される場合の構造を説明した模式図。

【図４】図４は双極式の例で、台座が絶縁セラミック板
で、ヒーター加熱される場合の構造を説明した模式図。

【図５】図５は双極式の例で、台座が絶縁セラミック板
で、ヒーター回路が焼き付けられた場合の構造を説明し
た模式図。

【図６】図６は双極式の例で、鋳包ヒーターが台座を兼
ねる場合の構造を説明した模式図である。

【符号の説明】

１ 誘電体セラミック ２ 下部電極 ３ 絶縁セラミック板 ４ 遮蔽リング ５ 台座 ６ 絶縁材充填 ７ 誘電電極 ８ ヒーター ９ ヒーター回路 １０ 鋳包ヒー
ター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板を静電チャックで吸着固定する
   機構を備えた半導体基板のプラズマ処理装置において、
   該静電チャックは吸着機構部と金属台座と該台座と吸着
   機構部の間にインサートされたプラズマ処理用の高周波
   電圧を印加する下部電極からなる構造であって、該台
   座、吸着機構部、下部電極は互いに接合されてなると共
   に、該下部電極は側面を電気絶縁材料で包囲、遮蔽さ
   れ、かつ該台座と電気的に絶縁されてなることを特徴と
   する半導体基板のプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】半導体基板のプラズマ処理用静電チャック
   において、該静電チャックは吸着機構部と電気絶縁性セ
   ラミック台座と該台座と吸着機構部の間にインサートさ
   れたプラズマ処理用の高周波電圧を印加する下部電極か
   らなる構造であって、該台座、吸着機構部、下部電極は
   互いに接合されてなると共に、該下部電極は側面を電気
   絶縁材料で包囲、遮蔽されてなることを特徴とする半導
   体基板のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】上記下部電極材料が上記吸着機構部と台座
   接合部の応力緩衝材料である請求項１あるいは２に記載
   のプラズマ処理装置。