JPH02110925A

JPH02110925A - 真空処理装置

Info

Publication number: JPH02110925A
Application number: JP1249149A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kakehi; 掛樋　豊; Norio Nakazato; 仲里　則男; Yoshimasa Fukushima; 福島　喜正; Yukiya Hiratsuka; 平塚　幸哉; Fumio Shibata; 柴田　史雄; Noriaki Yamamoto; 山本　則明; Tsunehiko Tsubone; 恒彦坪根
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1990-04-24
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JP2580791B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、真空処理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真空処理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。

ドライエツチング装置の重要な用途の一つに半心体集積
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１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ツチングにより基板
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ツチング時には、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、ドライエツチン
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５６−５３
８５３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５７−１４
５３２１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　　イ也、　　５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔ
ｅ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　　Ｖｏｌ、２　５　　
＋Ｎａ、　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６　Ｔｏｒｒ
程度のＧｔ（ｅ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。一般のドライエツチング装置では、通常０．１Ｔ
ｏｒｒ程度のプロセスガス圧によって被加工物質をエツ
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雛脱しにくくなるため、
エツ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どまらずエツ
チング室内に多量に流れ込むため、Ｇ１１ｅ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、Ｇｌｅｅの真空処理室内への流出は避
けらけす、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Ｇ１１ｅ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）　１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
きる真空処理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、試料を配置する試料台を内設した真空処理室
と、試料台に試料を吸着保持する吸着手段と、吸着手段
によって試料台に吸着保持された試料の裏面と試料台と
の間隙に伝熱ガスを供給するガス供給手段とを具備する
装置とし、真空処理する試料を試料台に・吸着保持する
工程と、吸着保持された試料の裏面と試料台との間隙に
伝熱ガスを供給する工程と、真空処理室内を所定圧力に
減圧排気して試料を真空処理する工程とを有する方法と
することにより、達成できる。

〔作　　用〕

真空処理室内で真空処理される試料を試料台に吸着手段
で吸着保持させると共に、吸着保持された試料の裏面と
試料台との間隙に伝熱ガスをガス供給手段で供給するこ
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、ドライエツチング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパ
ッタ装置等があるが、ここでは。

ドライエツチング装置を例にとり本発明の詳細な説明す
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図にドライエツ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、この場合、基板５０の裏面の周辺側に対応して
絶縁物６０が埋設されている。絶縁物６０の内側の下部
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。溝２１は基板５０が載置されていない場
合、放電空間３０と連通する。また。

絶縁物６０には、溝２１につながるガス分散用の溝（図
示省略）が形成されている。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２
２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２４ｂ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、マツチングボックス＋００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１０．高周波電源１０１および直流電源１
０３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ずる
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’？？　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′社極上板受２
７につながっている。導管２５ｂの上端部には、電極上
板２６と電極上仮受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ｆＩｌ極上板２６の表面には、絶縁物６０が設け
られている。この場合は、絶縁膜がコーティングされて
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７ｆｌ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２］、ａ　、　２１ｂの底面との間の隙間
（以下、溝部隙間と略）が伝熱ガスの平均自由行路長以
下になれば、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される部分（以下
、吸着部と８１８）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Ｉ　Ｔｏｒｒで真空処理室１０の圧力
がＱ、ＩＴｏｒｒ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／ｄ
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１７５に選定される。

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
ツチング装置で、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ｆＱ　Ｖ７Ａ２０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ｌｅ内の圧力調整後、下部電極２０には高周波電
源ｌｏｔ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のエツチング処理が開始
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５０のプラズマ
によるエツ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に静電吸着されて固定さ
れる。その後、溝２１ａ　、　２１ｂには、ガス源より
Ｍ　Ｆ　Ｃ７１及びガス供給路２３ａを順次介して伝熱
ガス、例えば、Ｇ）Ｉｓが供給される。このとき、ＧＨ
ｅ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、基板裏面の
空間にＧ）ｌｅ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
の熱抵抗は減少させられ、基板５０は効果的に冷却され
る。その後、エツ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、エツチングの
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、電気的に設置されたビン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
、ビン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１次のような効果が得られる。

（１）基板の裏面の外周辺だけでなくその裏面の他の部
分も使用して基板を下部電極に固定できるため、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、
下部型（セに固定された基板の裏面と下部電極との間の
隙間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、基板を効率的に冷
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Ｇ１１ｅは吸着部で真空処理室内へ
の流出を抑制させるため、Ｇ＋ｌｅ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Ｇ）Ｉｅ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、Ｇｌ（ｅ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、基板の下部電力がらの
離脱が容易となり、エツ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）Ｄ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、本発明を実施したトライエツチング装置の他
の例を示すもので、真空処理室１０の頂壁と上部Ｉｔ！
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１２０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１２４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Ｍ　ＦＣｌ２に入力されるようになっている
。なお、その他。

第１図と同−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から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Ｇ
Ｈｅの供給量との間の関係からＧ１１ｅの供Ｍ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、ＡＱ−Ｃｕ−Ｓｉ材のドライエツチ
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ツチング材の残
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、エツチング速度
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
を防止しながらエツ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ツチングを行うよう
な場合は、下地の材料が露出し始めた時点でＧ１１ｃ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、エツ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、
エツチング中の基板の温度をオーバーエツチング時の温
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Ｇｌｅｅ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を
試料台に吸着手段で吸着保持させると共に、吸着保持さ
れた試料の裏面と試料台との間隙に伝熱ガスをガス供給
手段で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
理室内への流出を抑制でき、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ツチング装置の一例
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
実施したドライエツチング装置の他の例を示す構成図で
ある。ＩＯ・・・・真空処理室、２０・・・・下部電極、　２
１．２１ａ。２１ｂ・・・・溝、２２・・・・冷媒流路、５０・・・
・基板才１（２１

Claims

【特許請求の範囲】１、真空処理する試料を試料台に吸着保持する工程と、
前記吸着保持された前記試料の裏面と前記試料台との間
隙に伝熱ガスを供給する工程と、真空処理室内を所定圧
力に減圧排気して前記試料を真空処理する工程とを有す
ることを特徴とする真空処理方法。２、前記試料の吸着は、静電吸着により行なう特許請求
の範囲第１項記載の真空処理方法。３、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試料台
との間の隙間に分散供給される特許請求の範囲第１項記
載の真空処理方法。４、前記試料の吸着は、前記試料の裏面の少なくとも外
周辺を吸着保持する特許請求の範囲第１項記載の真空処
理方法。５、試料を配置する試料台を内設した真空処理室と、前
記試料台に前記試料を吸着保持する吸着手段と、該吸着
手段によって前記試料台に吸着保持された前記試料の裏
面と前記試料台との間隙に伝熱ガスを供給するガス供給
手段とを具備することを特徴とする真空処理装置。６、前記吸着手段は、静電吸着手段を用いる特許請求の
範囲第５項記載の真空処理装置。７、前記静電吸着手段は、前記試料の裏面に対応して前
記試料台に設けられる絶縁物と、前記試料台に接続され
る直流電源とで成る特許請求の範囲第６項記載の真空処
理装置。８、前記絶縁物は前記伝熱ガスの分散用溝を有する特許
請求の範囲第７項記載の真空処理装置。９、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８項記載の真空処理装
置。１０、前記絶縁物は、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７項記載の真空処
理装置。