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発明の名称 プラズマ処理方法および装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−69159
公開日 平成6年(1994)3月11日
出願番号 特願平4−221217
出願日 平成4年(1992)8月20日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高田 幸彦
発明者 七田 弘之 / 田村 直行 / 牧野 昭孝 / 中田 健二
要約 目的
温度制御された試料台に静電吸着力を利用して試料を保持し、該試料を処理するプラズマ処理装置において、基板の温度を再現性良く高精度に測定し、精度の良いプラズマ処理を行う。

構成
真空処理室1の内部に設けられプラズマ処理するための試料11を配置する試料台9に、静電吸着力を利用して試料11を吸着・保持させた後に、試料台9と試料11との間に伝熱用ガスを供給し、試料11の温度を検出する温度センサ22を試料11の裏面に押し付け、試料11の温度を管理しながら処理する。
特許請求の範囲
【請求項1】処理ガスが供給されると共に所定の圧力に減圧排気された真空処理室内に処理ガスのプラズマを発生させ、プラズマに対向させて配置した試料を処理するプラズマ処理方法において、前記試料を静電吸着力を利用して試料台に保持した後に、前記試料台と前記試料との間に伝熱用ガスを供給し、前記試料の温度を検出する温度センサを前記試料裏面に押し付け、前記試料の温度を管理しながら処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項2】前記温度センサの前記試料裏面への押し付けは、前記温度センサにダイアフラムを設け、前記ダイアフラムに生ずる圧力差の力を用いて行う請求項1記載のプラズマ処理方法。
【請求項3】前記ダイアフラムに生ずる圧力差は、前記伝熱用ガスの圧力と前記真空処理室内の圧力との圧力差を用いて生じさせる請求項2記載のプラズマ処理方法。
【請求項4】前記試料温度の管理は、前記温度センサによって得られた情報により前記試料の温度を制御して行う請求項1記載のプラズマ処理方法。
【請求項5】前記試料温度の管理は、前記温度センサによって得られた情報を前記試料の処理データとして記憶し管理する請求項1記載のプラズマ処理方法。
【請求項6】処理ガスが供給されると共に所定の圧力に減圧排気される真空処理室と、前記真空処理室内に供給された処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、前記真空処理室内に設けられ前記処理ガスのプラズマに対向させて試料を配置するための試料台と、前記試料台に静電吸着力を利用して前記試料を保持するための手段と、前記試料台と前記試料との間に伝熱用ガスを供給する手段と、前記試料の温度を検出する温度センサと、前記温度センサをダイアフラムに生じる圧力差によって前記試料裏面に押し付ける手段とを具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項7】前記温度センサを前記試料裏面に押し付ける手段は、前記ダイアフラムの反試料側に前記伝熱用ガスの流路につながる通路を形成し、前記ダイアフラムの試料側に前記真空処理室内につながる通路を形成して成る請求項6記載のプラズマ処理装置。
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方法および装置に係り、特に試料の温度測定を行うものに好適なプラズマ処理方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のプラズマ処理装置、例えば、マイクロ波等による放電を利用したドライエッチング装置の重要な用途の1つに半導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。半導体基板のドライエッチング技術においては、異方性と選択性の両立が重要な課題となっており、これを実現するためにこれまでさまざまな工夫がなされてきた。その中でも、今後必要とされるサブミクロンパターンの微細加工においては、イオンアシスト反応を利用した低温エッチング技術が注目されつつある。
【0003】なお、基板はプラズマとの化学反応熱やイオン,電子の入射エネルギによって加熱され温度が上昇する。このため、基板保持台を水,メタノール,液体窒素などの冷媒を用いて冷却するとともに、静電吸着を用いて基板と基板保持台とを密着させ熱伝導を良くするとともに、基板と基板保持台との隙間に1〜10Torr程度のHeなどの伝熱用ガスを満たして熱伝達を良好にし、基板を効率良く冷却する手段が取られている。
【0004】低温エッチングにおいて基板の温度管理は、基板の微細加工を精度良く行うために重要なものである。基板温度の測定方法としては、例えば、図4に示すように、静電吸着力を利用して基板11aを吸着保持させる基板保持台9aの保持面側に、該基板保持台内部側から突出させて測温素子51を固定し、測温素子51自身の弾性を利用して基板11aとの押圧力の安定化を図り、測温素子51を直接基板11aに押し付けて基板11aの温度測定を行うようにしたり、特開平1−315158号公報に記載のように、静電気力によりウエハを吸着固定する保持台に空孔部を設け、測温素子を支持するホルダーを空孔部に挿入し、このホルダーを弾性体によってウエハと接触させられるようにしておき、ウエハを保持台に押しつけることによってホルダーを下方に押し下げ、ホルダーを弾性体の弾性力によりウエハに接触した状態にし、かつ、ウエハを静電吸着用の電極に接触させて、静電吸着用の電源を作動させウエハを試料台に吸着固定し、ウエハの温度測定の精度を高められるようにしたものがあった。なお、図4に示す10aは静電吸着力を生じさせるための誘電体膜で、17aは基板保持台9aを冷却するための冷媒流路で、18aは基板11aの裏面に伝熱ガスを供給するためのガス流路で、52は測温素子51を基板保持台9aに固定するための保持具である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、基板保持台への基板の吸着固定の点について充分配慮されておらず、次のような問題があった。すなわち、図4に示すような従来技術の場合、基板を測温素子に押し付けて測温素子にある一定以上の押圧力を与えるために、基板保持台の基板保持面から測温素子を突出させている。この状態で基板保持台に基板を載置したのでは、基板それ自体の質量が小さいので、測温素子の弾性力によって基板が持ち上げられた状態になってしまい基板保持台と基板の裏面とに大きな隙間が生じて、基板を基板保持台に載置した後、基板を静電吸着させようとしても基板と基板保持台が密着せず、基板の冷却が行えないばかりでなく基板の脱落などが生じ、装置の運転に重大な不具合を生ずる。また、このような現象は、測温素子が冷媒流路を通る冷媒によって基板保持台を介して間接的に冷却され、測温素子自身の硬度が変化しその弾性力が変化して屈曲性が悪くなった場合においても発生する。このような場合には、静電吸着を確実に行うために測温素子の弾性力を基板の質量よりも小さい一定値に管理、調整する必要がある。しかし、このような小さい弾性力での管理は困難であるばかりでなく、基板との押圧力が弱くなるため測定温度の誤差が大きくなるという問題が生ずる。このような問題を解決するための方法として、ウエハ押えを用いて基板の周辺部をウエハ押えの自重により固定する方法が採用されている。しかし、この方法を用いると、ウエハ押えに付着したゴミがウエハ押えから離脱し基板へ付着したり、基板とウエハ押えとの接触によるゴミの発生等により半導体素子の絶縁不良などを引越し、歩留り低下の原因を引き起こすという問題があった。
【0006】また、特開平1−315158号公報に記載の従来技術においては、ウエハを保持台に押しつけてホルダーを下方に押し下げ、ホルダーを弾性体の弾性力によってウエハに接触させるとともに、ウエハを静電吸着用の電極に接触させているので、試料台へのウエハの吸着固定およびウエハの温度測定が可能となる。しかし、ウエハを保持台へ押しつけるための手段が必要であり、このため、前述のウエハ押えと同様の問題が生じる。
【0007】本発明の目的は、基板の温度を再現性良く高精度に測定し、精度の良いプラズマ処理が行えるプラズマ処理方法および装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的は、処理ガスが供給されると共に所定の圧力に減圧排気される真空処理室と、真空処理室内に供給された処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、真空処理室内に設けられ処理ガスのプラズマに対向させて試料を配置するための試料台と、試料台に静電吸着力を利用して試料を保持するための手段と、試料台と試料との間に伝熱用ガスを供給する手段と、試料の温度を検出する温度センサと、温度センサをダイアフラムに生じる圧力差によって試料裏面に押し付ける手段とを具備した装置とし、処理ガスが供給されると共に所定の圧力に減圧排気された真空処理室内に処理ガスのプラズマを発生させ、プラズマに対向させて配置した試料を処理するプラズマ処理方法において、試料を静電吸着力を利用して試料台に保持した後に、試料台と試料との間に伝熱用ガスを供給し、試料の温度を検出する温度センサを試料裏面に押し付け、試料の温度を管理しながら処理する方法とすることにより、達成される。
【0009】
【作用】真空処理室内に処理ガスを供給するとともに所定圧力に減圧排気し、真空処理室内を試料の処理が可能な状態にし、試料を試料台に静電吸着させた後、伝熱用ガスを試料裏面に流す。これとともに、温度センサを取り付けたダイアフラムに圧力差を生じさせ、この圧力差による力を利用して温度センサを試料裏面に押し付ける。これにより、温度センサを試料裏面に押し付けても、既に試料は試料台に強固に吸着・保持されているので、試料が試料台から浮き上がることもなく、温度センサの試料への密着力も大きくでき、基板の温度を再現性良く高精度に測定でき、精度の良いプラズマ処理が行える。
【0010】
【実施例】以下本発明の一実施例を図1ないし図3により説明する。図1は本発明を示すプラズマ処理装置であり、この場合、マイクロ波プラズマエッチング装置を例に示す。
【0011】真空処理室1の下部には、試料11を配置するための試料台9が設けてある。試料台9は、絶縁部材8によって真空処理室1から電気的に絶縁されている。試料台9の上面には、誘電体膜10が形成されている。試料11は、図示を省略した搬送装置によって試料台9に配置または試料台9から取り除かれる。試料11は誘電体膜10を介して試料台9上に配置される。真空処理室1の上部には、試料台9に対向して設けた石英窓2を介して導波管3が取り付けてある。導波管3の端部には、マイクロ波を発振するためのマイクロ波発振器4が取り付けてある。試料台9上側の真空処理室1の外周部には、真空処理室1の内側に磁界を発生させるためのソレノイドコイル5が設けてある。7は真空処理室1の内部に処理ガスを導入するための処理ガス供給ラインである。また、真空処理室1には、真空処理室1の内部を減圧排気するための真空排気装置(図示省略)が、この場合、真空処理室1の側面部に設けた排気口6を介して接続されている。試料台9には、整合器12を介して高周波電源13が接続され、また高周波遮断器14を介して直流電源15が接続されている。また、試料台9の内部には、冷媒を循環するための冷媒流路17が形成してあり、該冷媒流路17には図示を省略した温調機との間で冷媒を移送するための冷媒循環ライン16が接続してある。この循環される冷媒は、一定温度に制御されて試料台9に送られる。
【0012】さらに試料台9には、試料台9および誘電体膜10を貫通して伝熱ガスを供給するためのガス流路18が形成してあり、該ガス流路18には伝熱ガス供給ライン19が接続してある。伝熱ガス、例えば、Heガスは、伝熱ガス供給ライン19に設けられた流量制御弁20を介して、誘電体膜10の上に吸着保持される試料11の裏面に供給される。試料11が配置される範囲の誘電体膜10には、図3に示すように伝熱ガスを試料11の裏面の略全域に供給し易くした分散溝42が設けてある。該分散溝42は複数の円周溝と複数の放射溝との組合せで成り、試料11の外周には達しない範囲内に設けてある。分散溝42の放射溝は複数の円周溝で区切られた外側の領域の方に多く設けてある。また、ガス流路18における伝熱ガスの供給孔は、分散溝42の内側と外側とで圧力差が生じないように分散溝42の複数箇所に設けてある。これにより、試料11裏面の伝熱ガスの圧力は、試料11の裏面の全域で均一になるとともに、伝熱ガス供給ライン19の圧力とほぼ同圧となるようにしてある。
【0013】試料台9には、試料11の裏面から試料11の温度を検出するための温度センサ22(例えば、光温度検出器等)が設けてある。温度センサ22は、ダイアフラム21を介して試料台9に取り付けてあり、図2にその詳細を示す。この場合、試料台9はダイアフラム21を挟んで固定する上部材31と下部材32とから成る。ダイアフラム21を挟んだ上部材31の空間38は通路24を介して真空処理室1の室内空間に連通させ、ダイアフラム21を挟んだ下部材32の空間39は通路23を介して伝熱ガス用のガス流路18に連通させてある。ダイアフラム21の中央孔にはキャップ33が一方から通してあり、他方からカバー34をキャップ33に捩じ込み、ダイアフラム21を挟み付けてある。キャップ33の中心に設けた貫通孔には温度センサ22が通してあり、キャップ33の軸方向端部に当接させてカバー34の中空部に順次挿入したテーパリング雌35およびテーパリング雄36を、カバー34端部に捩じ込む固定キャップ37によって押し付け、実質的に温度センサ22をダイアフラム22に固定してある。温度センサ22は、上部材31に設けた温度センサ用の貫通孔40に通され、試料11を試料台9に配置しない場合には、試料台9の試料載置面よりわずか、例えば、0.5〜1 mm程度引っ込まして設けてある。なお、41はダイアフラム21に掛かる温度センサ部の自重を保持するためのストッパである。
【0014】温度センサ22は、制御装置25に接続してある。制御装置25は、温度センサ22からの検出信号を受けて、伝熱ガス供給用の流量制御弁20を制御する。
【0015】上記のように構成した装置では、図示を省略した搬送装置によって、試料11は試料台9に配置される。真空処理室1の内部には、所定流量の処理ガスが処理ガス供給ライン7を介して供給される。また、真空処理室1の内部は真空排気装置によって排気口6より真空排気され、真空処理室の1内部の圧力は、真空処理室1に設けられた絶対圧真空計(図示省略)および排気系に設けられた制御弁(図示省略)により、所定の真空度に制御される。その後、マイクロ波発振器4によってマイクロ波を発振させ、導波管3および石英窓2を介して真空処理室1の内部にマイクロ波を入射させると共に、ソレノイドコイル5によって磁界を発生させることにより、真空処理室1の内部に処理ガスのプラズマが発生する。この場合、プラズマ発生の直後に、高周波電源13によって整合器12を介して高周波電力を試料台9に供給すると共に、直流電源15によって高周波遮断器14を介して直流電圧を試料台9に供給する。
【0016】マイクロ波プラズマエッチング装置における試料台9への高周波電力の印加は、試料11へのプラズマ中のイオンの入射を制御するのに用いられる。
【0017】また、試料台9への直流電圧の印加によって誘電体膜10を介して試料台9に静電吸着力が発生し、誘電体膜10を介して試料11が試料台9に吸着・保持される。試料11が試料台9に吸着・保持されると、伝熱ガス供給ライン19,ガス流路18および分散溝42を介して試料11の裏面に伝熱ガスが供給される。これとともに、ダイアフラム21を取り付けた下部材32の空間39に通路23を介して伝熱ガスが入る。これにより、真空処理室1の内部空間に通路24を介して連通した上部材31の空間38と下部材32の空間39との間に圧力差が生じ、ダイアフラム21が上部材31の空間39側に押され、温度センサ22が試料11の裏面に押し付けられる。この場合、真空処理室1の内部圧力は試料の処理圧力に等しく、例えば、数mTorrに制御され、伝熱ガスの圧力は1〜10Torr程度の圧力で制御されるので、ダイアフラム21には充分な圧力差が生じ、温度センサ22に所望の押し付け力を与えることができる。
【0018】一方、試料台9は一定温度の冷媒によって冷却されている。これにより、プラズマ処理による試料11への入熱は、試料11の裏面の伝熱ガスおよび誘電体膜10を介して試料台9に伝熱し、そして試料台9に循環している冷媒を介して、温調機(図示省略)で除去される。
【0019】制御装置25は、この場合、温度センサ22によって検出した試料11の温度検出信号を入力し、試料11の温度が所定の設定温度となるように流量制御弁20を制御して試料11の裏面の伝熱ガス圧力を制御する。これと共に、温度センサ22によって検出された試料11の温度検出信号は、制御装置25に記憶され、試料の処理データとして管理される。
【0020】以上本実施例によれば、真空処理室内に処理ガスを供給するとともに所定圧力に減圧排気し、真空処理室内を試料の処理が可能な状態にし、試料を試料台に静電吸着させた後、伝熱用ガスを試料裏面に流し、これとともに、温度センサを取り付けたダイアフラムに圧力差を生じさせ、この圧力差による力を利用して温度センサを試料裏面に押し付けるようにしているので、温度センサを試料裏面に押し付けても、既に試料は試料台に強固に吸着・保持されており、試料が試料台から浮き上がることもなく、温度センサの試料への密着力も大きくでき、基板の温度を再現性良く高精度に測定できる。これにより、精度の良いプラズマ処理が行える。
【0021】また、従来のように試料を試料台側に押し付けて、試料を静電吸着可能にすると共に、試料を温度センサに押し当てるための手段が不要となるので、該手段と試料との接触等により発生する発塵量が少なく、その結果、半導体素子の歩留りも向上する。
【0022】なお、本実施例では、ダイアフラムに与える圧力差を真空処理室内の圧力と伝熱ガスの圧力とにより生じさせるようにしているが、伝熱ガスの代わりに他の供給源からのガスをダイアフラムの一方に供給したり、ダイアフラムの他方側を真空排気装置に直接に接続するようにしても良い。
【0023】また、本実施例では、マイクロ波プラズマ処理装置を例に示したが、マイクロ波を用いないプラズマ処理装置でも良いし、さらに、プラズマ処理でない真空処理装置であっても良い。
【0024】また、本実施例で示した温度センサの押圧方法は静電吸着によって試料を保持する場合について述べたが、処理装置の用途によっては静電吸着以外の支持手段によって支持されるものに適用しても良い。
【0025】また、本実施例で示したガス分散溝は全体をつなげているが、試料温度の均一性が悪い場合には、複数箇所で溝を分断し、それぞれにガス流路を設けて伝熱ガスの試料の裏面圧をそれぞれに制御して全体を均一に温度制御するようにしても良い。
【0026】さらに、本実施例では図示を省略したが、試料台へ試料を配置するのを容易にするため、試料台側に試料押し上げ手段を設けることが行われており、該試料押し上げ手段にダイアフラムを用いた温度センサの押圧手段を併用させても良い。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、試料を静電吸着力を利用して試料台に保持した後に、試料台と試料との間に伝熱用ガスを供給し、試料の温度を検出する温度センサを試料裏面に押し付け、試料の温度を管理しながら処理することができるので、基板の温度を再現性良く高精度に測定でき、精度の良いプラズマ処理が行えるという効果がある。




 

 


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