JP3077144B2

JP3077144B2 - 試料保持装置

Info

Publication number: JP3077144B2
Application number: JP01301275A
Authority: JP
Inventors: 利英末廣; 宏典荒木; 雅彦田中
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-11-20
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JPH03162592A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はプラズマエッチング装置やプラズマ気相成長
（Chemical Vapor Deposition;CVD）装置等の半導体製
造装置などに内装される試料保持装置に関する。

従来の技術半導体製造過程におけるエッチング工程や薄膜形成工
程においては、試料台に試料を確実に密着させて試料を
所望温度に制御し、かつ所定の高周波電力を確実に印加
してエッチングや薄膜形成を行なう必要がある。

これら要件を満たす試料保持装置として、近年、静電
チャック方式を採用した試料保持装置の開発がなされ、
普及してきている。

第６図は従来から使用されているこの種の試料保持装
置の概略を示した断面図である。

該試料保持装置は、基台51に温度制御板52が載置さ
れ、この温度制御板52に試料台53が載置され、この試料
台53はその周囲に配設された金属製の試料台押え54によ
り温度制御板52側に固定されている。また、温度制御板
52及び試料台押え54は電気的に接地（アース）されてい
る。また、試料台押え54上には石英板55が載置され、試
料台押え54の上面がプラズマで叩打されるのを防止して
いる。

試料台53は、電極57（導電部材）に絶縁膜56が被覆さ
れて構成されており、電極57は電極棒58を介して直流電
源及び高周波電源（共に図示せず）に接続されている。

このように構成された試料保持装置が、半導体製造装
置、例えばプラズマ装置に内装された場合においては、
電極棒58を介して電極57に直流電圧が印加され、かつ試
料台53上の試料59にプラズマが照射されると、電極57は
正（又は負）に帯電する一方、試料59はプラズマを介し
て電気的に接地される。そして、試料59と試料台53との
間には静電容量が発生し、この静電容量による吸着作用
により試料59が試料台53に保持される。そしてさらに、
電極57に高周波が印加されることにより、試料59にはバ
イアス電圧が励起されてその表面が負に帯電し、プラズ
マイオンが吸引されて試料59の表面へのエッチングある
いは薄膜形成がなされる。

また、温度制御板52内には、冷媒が矢印Ｘ方向から流
入して矢印Ｙ方向に流出するように流路60が形成されて
いる。すなわち、半導体製造過程におけるエッチング工
程や薄膜形成工程においては高温状態となるため、冷媒
によって試料59を冷却し、温度を制御する必要がある。

発明が解決しようとする課題上記試料保持装置においては、高周波が電極57に印加
された場合、温度制御板52に比べて抵抗の低い試料59側
に主として負荷されて試料表面にバイアス電圧が励起さ
れるが、温度制御板52が電極57と距離的に近いため高周
波電力の一部は温度制御板52にも負荷される。そしてこ
の温度制御板52に負荷された高周波電力はこの温度制御
板52からアース側に逃げ、電力損失を生じるという欠点
があった。

試料59に励起されるバイアス電圧は、試料台53を構成
する絶縁膜56の膜厚に依存することが知られている。す
なわち、絶縁膜56の膜厚が厚い場合においては、試料59
に励起されるバイアス電圧は低くなり、温度制御板52か
らアースに逃げる電力が多くなる。一方、絶縁膜56の膜
厚が薄い場合においては、試料59に励起されるバイアス
電圧は高くなり、前記アースに流れる電力が少なくな
る。

半導体製造過程において、所望のエッチングあるいは
薄膜形成を行なうためには試料59に励起されるバイアス
電圧が装置間で差異のないことが要求される。

しかし、上記従来の試料保持装置においては、装置間
において前記55の厚さにバラツキが生じるのを防止する
ことはできなかった。すなわち、試料台53において、絶
縁膜56は一般に膜厚が数100μｍ程度のAl₂O₃及びその他
不純物で形成されているが、その膜厚の厚さには±20％
程度のバラツキが生じる。そして、膜厚の均一化された
試料台53を形成することは生産技術的に困難であるた
め、同一条件にてエッチングあるいは薄膜形成を行なっ
た場合、製品間にバラツキが生じるという課題があっ
た。

さらに、上記従来の試料保持装置においては、金属製
の試料台押え54が試料台53の周囲に配設されているた
め、試料台押え54の側面がプラズマに叩打され、金属汚
染の発生原因になる虞があるという課題があった。

また、試料台押え54を設けているため、構造が複雑で
あり、部品点数も多くなるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑み発明されたものであっ
て、構造が簡易で、装置間における試料の保持機能に差
異がなく、しかも効率よく試料を保持することができる
試料保持装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段上記目的を達成するために本発明に係る試料保持装置
は、プラズマ処理装置に配設される試料保持装置におい
て、高周波電源が印加される導電部材に絶縁膜が被覆さ
れた試料台と、該試料台が載置され、試料温度を制御す
る温度制御板とを備え、該温度制御板はアースから電気
的に絶縁されていることを特徴とする。

尚、ここで「アースから電気的に絶縁されている」と
は、絶縁抵抗値が1kΩ以上の場合をいう。

また、上記試料保持装置において、さらに温度制御板
と試料台との間に絶縁部材が介装されていることを特徴
としている。

作用上記構成によれば、温度制御板がアースから電気的に
絶縁されているので、試料台が載置される温度制御板は
電気的に浮遊することとなる。したがって、導電部材に
高周波が印加された場合、前記温度制御板は、前記導電
部材と同様、電極としての作用をなし、高周波電力の一
部がアース側に逃げるのを防止することができる。

また、温度制御板が電極としての作用をなすため、該
温度制御板にも高周波電力が印加される。すなわち、試
料が載置される試料台の上面以外の部分にも高周波電力
が印加されることとなり、電力損失が生じる。

しかし、温度制御板と試料台との間に絶縁部材が介装
されることにより、温度制御板への高周波電力の印加が
抑制され、ほぼすべての高周波電力が試料台の上面に印
加される。

実施例以下、本発明に係る実施例を図面に基づき詳説する。

第２図は本発明に係る試料保持装置が内装されたプラ
ズマ装置としての電気サイクロトロン共鳴（Electron C
yclotron Resonance;ECR）プラズマエッチング装置を模
式的に示した断面図である。

このECRプラズマエッチング装置は、プラズマ生成室
１と、このプラズマ生成室１の下部に接続された試料室
２と、プラズマ生成室１の上方にあってマイクロ波をプ
ラズマ生成室１に導入するマイクロ波導波管３と、プラ
ズマ生成室１の周囲にあってこのプラズマ生成室１と同
心状に配設された励磁コイル４と、試料室２に内装され
る試料保持装置５等とから構成されている。

プラズマ生成室１は、略円柱形状に形成され、その上
部壁には第１のガス導入管６が接続されると共にマイク
ロ波を導入するための導入口７が形成されている。

試料室２は、プラズマ生成室１よりも大口径を有する
と共に、その側壁には第２のガス導入管８が接続され、
またプラズマ生成室１とは仕切板10によって仕切られ、
この仕切板10にはプラズマ引出窓９が形成されている。
また、試料室２の下方には排気口23が形成されて図示省
略の排気系に接続されている。

マイクロ波導波管３は、断面形状矩形に形成され、石
英製マイクロ波導入窓11を介してプラズマ生成室１に接
続されている。

励磁コイル４は、直流電流が供給されると所定の磁場
を発生する。すなわち、直流電流が励磁コイル４に供給
されると、マイクロ波発振器（図示せず）からプラズマ
生成室１に導入されるマイクロ波の角周波数ωと電子サ
イクロトロンの角周波数ω_ｃとが等しくなるような磁場
が形成され、電子は共鳴運動を行なう。この共鳴を起こ
させるための条件、すなわち、ECR条件は、次式で示さ
れる。

ω＝ω_ｃ＝eB/m…… ここで、ｅは電子の電荷（＝1.6×10^-19C）、Ｂは磁
束密度（Ｔ）、ｍは電子の質量（9.1×10^-31kg）であ
る。本実施例では、マイクロ波の角周波数ωは、2.45GH
zに設定されており、前記式よりECR条件を満たす磁束
密度Ｂは8.75×10^-2Tである。

試料保持装置５は、第１図に示したように、平面視円
形形状に形成された基台12に、第１の絶縁シート13、温
度制御板14、伝導シート15、第２の絶縁シート16（絶縁
部材）、試料台17が順次載置されて構成されている。

第１の絶縁シート13は、温度制御板14をアースから電
気的に絶縁するために介装されたものであって、フッ素
樹脂等の耐真空性、耐熱性を有する絶縁材料で形成され
ている。本実施例ではこの第１の絶縁シート13は、厚さ
t₁が10mmに設定されているが特に限定されるのではな
い。

温度制御板14は、試料台17の温度を制御するためのも
のであって、冷媒の流路18が形成されている。そして、
水等の冷媒が矢印Ａ方向から基台12及び第１の絶縁シー
ト13に貫設された孔を介して流路18内を循環し、矢印Ｂ
方向に流出するように構成されている。

伝導シート15は試料台17への冷却効果を高めるための
ものであって、厚さ0.5mmのインジウムシートが使用さ
れている。

第２の絶縁シート16は温度制御板14への高周波の印加
を抑制するためのものであって、フッ素樹脂等の耐真空
性、耐熱性の絶縁材料で形成されている。ここで第２の
絶縁シート16の厚さt₂としては、1mm〜2mm程度が好まし
く、本実施例では厚さt₂は2mmに設定されている。この
第２の絶縁シート16の厚さt₂が薄すぎると充分な絶縁効
果が得られず、一方この第２の絶縁シート16の厚さt₂が
厚すぎると温度制御板14からの冷却効果が充分に得られ
ないため、第２の絶縁シート16の厚さt₂は上記した程度
が好ましい。

また、試料台17は、Al等で形成された電極19（導電部
材）と、この電極19を被覆するAl₂O₃等で形成された絶
縁膜20とから構成されており、電極19には電極棒21が接
続されている。そして、この電極棒21は、第２の絶縁シ
ート16、温度制御板14等を貫通して図示省略の直流電源
及び高周波電源に接続され、試料台17は第２の絶縁シー
ト16上に固定されている。尚、22は絶縁筒であって、電
極棒21と温度制御板14等との電気的接触を防止してい
る。

上記試料保持装置を具備したECRプラズマエッチング
装置においては、以下の如く試料台17に載置された試料
24へのエッチングがなされる（第２図参照）。

まず、Cl₂、BCl₃等のエッチングガス及びN₂、O₂、He
等のキャリアガスを第１のガス導入管６又は第２のガス
導入管８からそれぞれプラズマ生成室１又は試料室２に
導入した後、これらプラズマ生成室１及び試料室２を所
定圧力（４×10^-3Torr）に設定し、マイクロ波（周波数
2.45GHz）をマイクロ波導波管３からプラズマ生成室１
に導入する。そして、励磁コイル４に直流電流を供給し
てECR条件を満足する所定の磁場を発生させ、ECR励起に
よりプラズマ25を生成する。生成したプラズマ25は、孔
９（プラズマ引出窓）を通過し、発散磁界により矢印Ｃ
方向に加速されて試料室２内に導かれる。

一方、試料台17の電極19に直流電圧が印加されると、
試料24はプラズマ25を介して接地される一方、電極19は
正（又は負）に帯電し、試料24の裏面と電極19との間に
は一定の静電容量を有するコンデンサが形成され、試料
24は試料台17の上面に吸着され保持される。

そしてさらに、電極19に高周波が印加されると、この
高周波及びプラズマの作用により試料24の表面側には負
のバイアスが励起され、試料表面には所定の強度を有す
る電界が形成される。そして、プラズマ25は試料24に吸
引されてこの試料24に所定のエッチングが施される。

上記試料保持装置５においては、温度制御板14と基台
12との間に第１の絶縁シート13が介装されているので、
温度制御板14はこの温度制御板14内の流路18を循環する
冷媒の絶縁抵抗値と同程度の絶縁抵抗値をもって絶縁さ
れる。すなわち、温度制御板14には流路18内を冷媒が循
環しているため、温度制御板14は冷媒と同程度の絶縁性
でもって電気的に絶縁される。一方、前記冷媒の絶縁抵
抗値は1MΩ以上を有し（純水の場合、２〜3MΩ）、プラ
ズマの絶縁抵抗値である1kΩより大きい。したがって、
高周波が電極19に印加されると、高周波電力は温度制御
板14にも印加されるもののこの温度制御板14からアース
に逃げることなく、抵抗の低い試料24側にバイアス電圧
が励起され、装置間に差異のない均一な電界強度が試料
24上に形成される。すなわち、温度制御板14は電極19と
同様の作用をなし、試料24には装置間に差異のないバイ
アス電圧が励起される。

第３図（ａ）（ｂ）は復数個の試料台Ａ〜Ｃについて
高周波を電極19に印加した場合において、試料24の自己
バイアス電圧（Ｖ）と高周波電力（Ｗ）との相関関係を
示した特性図であって、第３図（ａ）は本発明の特性図
を示し、第３図（ｂ）は従来例（第６図参照）の特性図
を示している。自己バイアス電圧は、試料24としてのAl
板を試料台17に載置し、高周波を電極19に印加して測定
した。また、第１のガス導入管６から200SCCMのCl₂ガス
を、またマイクロ波導波管３から出力800Wのマイクロ波
をそれぞれプラズマ生成室１に導入してプラズマ25を生
成した。尚、試料24とプラズマ引出窓９との間の距離は
160mmであった。

第３図（ａ）（ｂ）から明らかなように、従来例にお
いては高周波電力（Ｗ）に対する自己バイアス電圧
（Ｖ）は試料台Ａ〜Ｃで10〜20V程度のバラツキが存在
するのに対し、本発明は高周波電力に対する自己バイア
ス電圧は試料台Ａ〜Ｃ間でバラツキが生じず、試料保持
装置の信頼性が向上している。

また、上記試料保持装置は、試料台17と温度制御板14
との間に第２の絶縁シート16が介装されているので、試
料台17の周辺部（図中、26で示す）への高周波電力の印
加が抑制され、高周波の電力損失を抑制することができ
る。すなわち、試料24の表面上には高密度の電界強度が
形成されることとなる。

第４図は、上述と同様、試料24としてAl板を使用し、
第２の絶縁シート16による効果を測定した結果である。
図中、実線が本発明に係る場合を示し、、破線は第２の
絶縁シート16が介装されていない従来例に係る場合を示
している。

この第４図から明らかなように、本発明のものは従来
例のものに比べて試料24に励起されるバイアス電圧が増
加し、高密度の電界強度が形成されていることが判る。

第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）は試料24にエッチングを施
した場合のエッチング状態を示したものであって、試料
24としてSi基板27にSiO₂膜28、Al合金29が順次積層形成
され、さらにこのAl合金29に所定パターンのレジスト30
が塗布されたものが使用されている。図中、第４図
（ａ）はエッチング前の試料24を示し、第４図（ｂ）は
本発明に係る試料保持装置を使用してエッチングを施し
た場合を示し、第４図（ｃ）は従来例（第６図参照）に
係る試料台53に試料24を載置してエッチングを施した場
合を示している。また、第１のガス導入管６から200SCC
MのCl₂ガスを、マイクロ波導波管３から出力900Wのマイ
クロ波をそれぞれプラズマ生成室１に導入してプラズマ
を生成した。尚、高周波電源の出力は350Wに設定した。

この第５図（ｂ）（ｃ）から明らかなように、従来例
に係る場合、高周波の電力損失が大きいため、試料24上
に形成される電界強度が弱く、Al合金29にはレジスト30
が多く残っている。また、プラズマイオンの指向性も弱
いため、Al合金29は逆テーパ状にエッチングされてい
る。これに対し本発明に係る試料保持装置を使用した場
合、試料24には充分なバイアス電圧が励起されているた
め、鋭くエッチングされている。

また、上記試料保持装置においては、従来例（第６図
参照）における試料台押え54を省略することが可能とな
り、装置の簡略化を図ることができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく要
旨を逸脱しない範囲において変更可能である。例えば、
第１及び第２の絶縁シート13、16に使用する材料として
は、耐真空性、耐熱性を有するのであればよく、フッ素
樹脂の他、ポリイミドやシリコンゴムあるいはセラミッ
ク板も使用可能である。

また、上記実施例においては、温度制御板により試料
が冷却される場合について説明したが、温度制御板にヒ
ータを埋設して試料を加熱することにより試料の温度制
御を行なう場合にも同様に適用できる。すなわち、この
場合においても温度制御板の絶縁抵抗は冷媒の場合と同
様1MΩ以上を有するため、温度制御板の絶縁抵抗値はプ
ラズマの絶縁抵抗値（約1kΩ）よりも高く、所期の目的
を達成することができる。

また、本発明に係る試料保持装置は、プラズマCVD装
置を使用して試料表面に薄膜を形成する場合にも同様に
適用することができる。

発明の効果以上詳述したように本発明に係る試料保持装置は、高
周波が印加される導電部材に絶縁膜が被覆された試料台
と、該試料台が載置される温度制御板とを備え、該温度
制御板がアースから電気的に絶縁されているので、温度
制御板はアースから電気的に浮遊されている。つまり、
温度制御板は電極と同様の使用をなすこととなり、温度
制御板に高周波が印加されても高周波電力はアースに逃
げることはなくなり、試料側のバイアス電圧は装置間に
差異のない均一的なものとなる。したがって、試料表面
上に形成される電界強度は、装置間における差異がなく
なり、所望のエッチングや薄膜形成を施すことが可能と
なり、信頼性の向上した半導体デバイスを得ることがで
きる。

また、上記試料保持装置に加えて、さらに温度制御板
と試料台との間に絶縁部材が介装されることにより、温
度制御板に印加される高周波電力が抑制されると共に、
試料表面上に励起されるバイアス電圧が増加し、試料表
面上の電界密度が高くなり、効率よくエッチング及び薄
膜形成を行なうことができ、省エネルギ化を図ることが
できる。

さらには、従来から使用されている試料押えを省略す
ることが可能となり、構造が簡略化され、コストダウン
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る試料保持装置の一実施例を示す断
面図、第２図は本発明に係る試料保持装置が内装された
ECRプラズマエッチング装置の概略断面図、第３図
（ａ）（ｂ）は復数個の試料台について高周波電源の出
力と試料の自己バイアス電圧を示した特性図であって、
第３図（ａ）は本発明に係る特性図、第３図（ｂ）は従
来例に係る特性図、第４図は第２の絶縁シートの効果を
みるための高周波電源の出力と試料の自己バイアス電圧
との相関関係を示した特性図、第５図（ａ）（ｂ）
（ｃ）はエッチング形状の模式図であって、第５図
（ａ）はエッチング前の試料を示した断面図、第５図
（ｂ）は本発明に係る試料保持装置を使用してエッチン
グした場合の試料の断面図、第５図（ｃ）は従来例に係
るものを使用してエッチングした場合の試料の断面図、
第６図は従来例の試料保持装置の概略断面図である。 14……温度制御板、16……第２の絶縁シート（絶縁部
材）、17……試料台、19……電極（導電部材）、20……
絶縁膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−270471（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23F 4/00 C23C 16/50 H01L 21/205 H01L 21/3065 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ処理装置に配設される試料保持装
置において、高周波電源が印加される導電部材に絶縁膜
が被覆された試料台と、該試料台が載置され、試料温度
を制御する温度制御板とを備え、該温度制御板はアース
から電気的に絶縁されていることを特徴とする試料保持
装置。
【請求項２】温度制御板と試料台との間に絶縁部材が介
装されていることを特徴とする請求項１記載の試料保持
装置。