JP2009070836A

JP2009070836A - ウエハ載置用電極

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Publication number: JP2009070836A
Application number: JP2007234146A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Shirayone; 茂白米; Toru Aramaki; 徹荒巻
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】ヘリウムガスの絶縁破壊抑制が、混合ガスを用いないでも得られるようにしたウエハ載置用電極を提供すること。
【解決手段】プラズマ処理装置のウエハ載置用電極において、電極本体１内に設けられているガス導入管５としてガス孔がテーパ形状をしたものを用い、これにより二次電子なだれ現象による絶縁破壊を抑え、耐電圧の向上が得られるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置のウエハ載置電極に係り、特に半導体基板を対象としたプラズマ処理装置に好適なウエハ載置用電極に関するものである。

半導体製造プロセスでは、プラズマによるドライエッチングが一般的に使用されているが、このときに用いられるプラズマエッチング処理装置は、通例、真空容器と、これに接続されたガス供給系、処理室内圧力を所定の値に保持する排気系、ウエハを静電吸着して固定するウエハ載置用電極、真空容器内にプラズマを生成するアンテナなどにより構成され、主成分が例えばハロゲンガスからなる混合ガスを真空容器内に供給し、放電によってプラズマ化し、これによって発生した各種活性種によりウエハ載置用電極上に固定したウエハにドライエッチングが行なわれるようにしている。

ところで、プラズマ処理装置の場合、所望のエッチング性能が確保されるようにするためには種々のパラメータの制御が必要であるが、このときのパラメータの一種にウエハ温度があり、このため従来技術では、プラズマ処理装置のウエハ載置用電極に高電圧を印加し、ウエハをウエハ載置用電極上の誘電体膜に静電吸着させた上で、更に誘電体膜とウエハの間に所定圧力のヘリウムガスを導入し、電極本体の温度制御と相俟ってウエハ温度を制御する方法が一般的に使用されている。

そこで、この静電吸着力を利用した従来のウエハ載置用電極の一例について、図７により説明する。

この図７に示したウエハ載置用電極は、図示してないが、プラズマ処理装置の真空容器中に設置されるもので、図において、１は電極本体、２はアルミナなどの誘電体膜、３は被処理基板となるウエハ、４は冷媒溝で、電極本体１を冷却するための冷媒の通路となるもの、６は直流電源で、誘電体２に静電吸着力を発生させるための電圧を印加する働きをするもの、７は圧力計で、ガス導入管内の圧力を測定するもの、８はマスフローコントローラで、ガス導入管に流れるガス流量を制御する働きをするもの、９はヘリウムガスボンベ、１０はガス導入部で、誘電体膜２とウエハ３の間にヘリウムガスを導入する通路となるもの、１１はガス導入管で、誘電体膜２とウエハ３の間にガスを供給するために使用されるものである。

このときガス導入部１０とガス導入管１１は絶縁物で作られているが、ここで図８は、このときのガス導入管１１の一例を示す拡大図で、この場合、ガス導入管１１は、図示のように、円筒形の部材(パイプ材)として作られ、その材料には絶縁物のアルミナセラミックが用いられている。そして、その内部にはヘリウムガスの通路となるガス孔１２が中心に設けてあるが、このとき、当該ガス孔１２の内径は一定にしてある。従って、ガス導入管１１の絶縁物部分の厚さも一定であり、更に、その一方の端面である上面１３と他方の端面である下面１４は平行になっている。

そして、このウエハ載置用電極では、ウエハ３を誘電体２に吸着させ、その上でウエハ３の温度を制御しながらエッチング処理する。このため、まず、電極本体１に、直流電源６から負の高電圧を印加し、静電力によりウエハ３が誘電体２に吸着した状態にする。

次に、誘電体２とウエハ３の間に、ヘリウムガスボンベ９から、ガス導入部１０とガス導入管１１を介して、ヘリウムガスを供給する。そこで、このとき冷媒溝４に流す冷媒の温度の調整と、誘電体２とウエハ３の間に介在するヘリウムガス圧力の調整とを行うことにより、ウエハ３の温度が制御できることになる。

ところで、このとき使用されるヘリウムガスは比較的放電し易く、絶縁耐電圧が相対的に低いので、電極本体１に印加される直流の負の高電圧のもとで放電してしまい、絶縁破壊に至ってしまう虞があった。

一方、このときの負の高電圧では放電しない場合でも、電極本体１には、上記した高電圧の他にも、図示していない高周波電源から、ウエハ処理に必要とする高周波電力が供給されているので、これによって生じるセルフバイアス電圧が高くなると、これによって放電し、同じく絶縁破壊してしまう虞があった。

そこで、或る従来技術では、ヘリウムガスに絶縁破壊電圧が高い別のガスを混入して混合ガスとし、この混合ガスを、誘電体２と被処理基板であるウエハ３の間に導入する技術について提案している(例えば、特許文献１参照)。
特開平７−１６１６９６号公報

上記従来技術は、混合ガスの使用に伴う隘路に配慮がされているとは言えず、エッチング性能の維持に問題があった。

すなわち、上記したように、プラズマ処理装置に所望のエッチング性能が確保されるようにするためには種々のパラメータを制御する必要があるが、このとき、混合ガスの適用はパラメータの増加をもたらすので、エッチング制御が複雑化し、その分、エッチング制御が難しくなり、エッチング性能の維持に問題が生じてしまうのである。

また、誘電体とウエハの間に導入したガスの一部は、必然的にエッチングプロセスにおいて重要なプラズマ空間に放出されてしまう。従って、混合ガスを用いた場合、ヘリウム以外のガスによるエッチング性能への影響が避けられず、その分、エッチング制御が難しくなり、やはりエッチング性能の維持に問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、ヘリウムガスの絶縁破壊抑制が、混合ガスを用いないでも得られるようにしたウエハ載置用電極を提供することにある。

上記目的は、電極本体の上面に静電吸着用の誘電体膜を備え、当該誘電体膜と、その上に載置され静電吸着されたウエハの間に伝熱用ガスを供給して該ウエハの温度を調節しながら該ウエハにエッチング処理を施す方式のプラズマ処理装置におけるウエハ載置用電極において、前記電極本体の内部から前記伝熱用ガスを供給する通路の前記誘電体膜の表面に貫通する部分を含む一部を絶縁物製の円筒形部材で形成させ、当該円筒形部材の中心孔の少なくとも一部がテーパ形状に作られていることにより達成される。

このとき、前記テーパ形状は、前記誘電体膜の表面に開口する方向に向かって細くなっているようにしても上記目的が達成され、前記誘電体膜の表面に開口する方向に向かって広がっているようにしても上記目的が達成される。

上記手段によれば、テーパ形状のガス孔を採用したことから、ガス導入管の内側では、誘電体膜とウエハ、それにヘリウムガスの境界付近(トリプルジャンクション)から電界放出により放出された電子による衝撃を受ける虞が少なくなり、二次電子なだれの発生が抑えられ、この結果、絶縁破壊が生じ難くなり、耐電圧性が向上する。

この結果、本発明によれば、電極本体の中にあるガス導入管内での放電の発生が抑えられるので、ガス導入管内での放電に起因するエッチングエラーやウエハでの損傷発生、更には電極本体の損傷の発生も抑えられ、スループットの向上やコストの低減に寄与することができる。

以下、本発明に係るウエハ載置用電極について、図示の実施の形態を用いて詳細に説明する。

ここで、図１は、本発明の第１の実施形態で、この図において、電極本体１と誘電体膜２、被処理基板であるウエハ３、冷媒溝４、直流電源６、圧力計７、マスフローコントローラ８、ヘリウムガスボンベ９、それにガス導入部１０は、それぞれ図７で説明した従来技術によるウエハ載置用電極と同じである。

そして、この図１において、５がガス導入管で、これは、誘電体膜２とウエハ３の間にガスを導入する働きをし、従って、図７で説明した従来技術におけるよるガス導入管１１に相当し、同じく絶縁物材料で作られている。

ここで、図示してないが、この図１のウエハ載置用電極の場合も、プラズマ処理装置の真空容器の中に設置されるものであることは、図７の従来技術と同じである。

そこで、次に、この実施形態におけるガス導入管５について、図３の拡大断面図により詳細に説明すると、このガス導入管５は、一例として、外径が２ｍｍで長さが５０ｍｍのアルミナ製の円筒形部材(パイプ材)で作成される。

このとき内部の中心にあるガス孔２１は、図に破線で示してあるように、テーパ形状をしている。具体的には、誘電体膜２の上面においてウエハ３に向かって開口させてある上面２２では内径が０．３ｍｍで、ウエハ３とは反対側の下面２３では内径が１ｍｍの下向きに広がったテーパ形状に作られている。

そして、このガス導入管５は、ガス孔２１がガス導入部１０のガス通路に連結されるようにして、その下面２３でガス導入部１０に接合させ、その上で、電極本体１の中で垂直になるようにして複数本、当該電極本体１の中に埋め込んだ形で設置してある。

次に、動作について説明すると、まず、この実施形態に係るウエハ載置電極は、図示しないプラズマエッチング装置の処理室の中に設置され、ウエハのエッチング処理に使用される。

このため処理室の中に搬送されたウエハ３は、まず、図示のように、誘電体膜２の上に設置され、直流電源６から電極本体１に負の直流高電圧を印加する。また処理室内にエッチングガスを導入し、所定の圧力にした後、処理室内にプラズマを発生させる。すると、ウエハ３は誘電体膜２に静電吸着し、ウエハ３のエッチング処理が行われる。

一方、このようにしてウエハ３が誘電体膜２に静電吸着したら、ここでヘリウムガスボンベ９からガス導入部１０とガス導入管５を介して、所定圧力のヘリウムガスを誘電体膜２とウエハ３の間に供給し、ウエハ３の温度調節を行う。

従って、このときガス導入管５の内部には、直流電源６からの直流電圧、つまりウエハ３を誘電体膜２に静電吸着させるための直流電圧と、図示してない高周波電源からの高周波電力によるセルフバイアス電圧の両方の電圧が印加されることになり、このため、一般にガス導入管内ではヘリウムの絶縁破壊が起こりやすい状態になってしまう。

しかして、この実施形態の場合、ガス導入管５の内部、つまりガス孔２１は、図２に示したようにテーパ形状に作られており、これにより絶縁破壊が起り難くされている。

ここで、この実施形態において、絶縁破壊が起り難くなっている理由は、端的に言えばガス導入管内で放出された電子の動きに関係している。

そこで、次に、この点について説明する。

一般に、ガス導入管から放出された電子は、当該ガス導入管内の沿面に衝突して二次電子を放出させる。そして、これらの二次電子は、その一部が再びガス導入管内の沿面に衝突して更に電子を放出させ、この結果、いわゆる二次電子なだれ現象が起り、絶縁破壊に至ってしまうのであるが、このときガス孔の内面がウエハに対して垂直になっていると、この二次電子なだれ現象が助長され、従って、上記したように、ガス導入管内では、一般にヘリウムの絶縁破壊が起こりやすい状態になってしまうのである。

しかして、この実施形態では、図２に示したように、ガス導入管５のガス孔２１がテーパ形状にされていて、ウエハ３に開口している面でテーパ状に細くなっている場合には、ガス導入管５内の沿面、つまりガス孔２１の内面が電子の衝撃方向に対して垂直方向から傾斜されるので、電子の衝撃が小さくなり、この結果、二次電子なだれ現象の発生が抑えられるので、絶縁破壊が生じ難くなるのである。

ここで、図３は、このときの絶縁破壊電圧とテーパ角度に関する実験結果を示したもので、このときヘリウムのガス圧力は１ｋＰa とした。そして、この図３によれば、まず、テーパ角度が０度のとき、すなわちガス導入管の内側がウエハに対して垂直なとき、最も絶縁破壊電圧が低いことが判る。

次に、ここでガス孔をテーパ状にし、角度を設ければ、絶縁破壊電圧が高められることも、この図３から判る。

従って、本発明の実施形態によれば、上記したように、絶縁破壊が生じ難くでき、この結果、耐電圧の大幅な向上が得られるのである。

ここで、本発明の他の実施の形態について説明する。

まず、図４は、本発明の第２の実施形態に係るガス導入管５を示したもので、ここで、この図４のガス導入管が、図２のガス導入管と異なる点は、テーパ形状の傾斜方向が反対になっている点にある。すなわち、図２のガス導入管５では、そのガス孔２１が、上面２２での内径が小さく、下面２３での内径が大きくなっていて、上面２２から下面２３に向かって広がっているテーパ形状になっているのに対して、この図４のガス導入管５の場合、そのガス孔２４は、反対に上面２２から下面２３に向かって細くなり、従って、上向きに広がったテーパ形状になっている点にある。

ここで、図３の特性によれば、この図４の実施形態の場合でも絶縁破壊が生じ難くできることは明らかであり、従って、この実施形態によっても、耐電圧の大幅な向上を得ることができる。

次に、図５は、本発明の第３の実施形態に係るガス導入管５を示したもので、更に図６は、本発明の第４の実施形態に係るガス導入管５を示したものである。

そして、これら第３と第４の実施形態が、図２の第１の実施形態及び図４の第２の実施形態と異なっている点は、ガス孔のテーパ形状をしている部分が導入管全体に及んでいるか、上端側の一部だけに留まっているかの点にある。

すなわち、まず、図５に示した第３の実施形態は、ガス導入管５として、上から下向きに広がったテーパ形状部分が上端を含む一部に形成されているガス孔２５を用いた場合の一実施形態であり、次に、図６に示した第４の実施形態は、ガス導入管５として、下から上向きに広がったテーパ形状部分が上端を含む一部に形成されているガス孔２６を用いた場合の一実施形態である。

ここで、このようなウエハ載置電極において、一般に電界強度が大きくなるのは、ウエハが載置される上面の近傍であり、従って、これら第３と第４の実施形態の場合も、二次電子なだれ現象の発生が抑えられるので、絶縁破壊が生じ難くでき、耐電圧の大幅な向上を得ることができる。

ところで、以上に説明した実施形態では、ドライエッチング装置を例に説明したが、本発明の適用対象は、上記のドライエッチング装置に留まらない。

例えば、ＵＨＦ−ＥＣＲ方式、容量結合放電、誘導結合放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、TCP放電等の各種の放電を利用したドライエッチング装置に適用しても、同様の作用効果が得られる。更にドライエッチング装置ばかりでなく、その他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置などにも適用でき、同様の作用効果が期待できることは言うまでもない。

本発明に係るウエハ載置用電極の一実施の形態が適用されたプラズマ処理装置の一例を示す説明図である。本発明の一実施形態におけるガス導入管の説明図である。ガス導入管のガス孔におけるテーパ角度と絶縁破壊電圧の関係を示す特性図である。本発明の第２の実施形態におけるガス導入管の説明図である。本発明の第３の実施形態におけるガス導入管の説明図である。本発明の第４の実施形態におけるガス導入管の説明図である。ウエハ載置用電極を備えたプラズマ処理装置の一例を示す説明図である。ガス導入管の一例を示す説明図である。

符号の説明

１：電極本体
２：誘電体膜
３：ウエハ(被処理基板)
４：冷媒溝
５：ガス導入管
６：直流電源
７：圧力計
８：マスフローコントローラ
９：ヘリウムガスボンベ
１０：ガス導入部
１１：ガス導入管
１２：ガス孔
１３：上面(ス導入管の上面)
１４：下面(ガス導入管の下面)
２１：ガス孔(第１の実施形態)
２２：上面(ガス導入管の上面)
２３：下面(ガス導入管の下面)
２４：ガス孔(第２の実施形態)
２５：ガス孔(第３の実施形態)
２６：ガス孔(第４の実施形態)

Claims

電極本体の上面に静電吸着用の誘電体膜を備え、当該誘電体膜と、その上に載置され静電吸着されたウエハの間に伝熱用ガスを供給して該ウエハの温度を調節しながら該ウエハにエッチング処理を施す方式のプラズマ処理装置におけるウエハ載置用電極において、
前記電極本体の内部から前記伝熱用ガスを供給する通路の前記誘電体膜の表面に貫通する部分を含む一部を絶縁物製の円筒形部材で形成させ、
当該円筒形部材の中心孔の少なくとも一部がテーパ形状に作られていることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１記載のウエハ載置用電極において、
前記テーパ形状が、前記誘電体膜の表面に開口する方向に向かって細くなっていることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１記載のウエハ載置用電極において、
前記テーパ形状が、前記誘電体膜の表面に開口する方向に向かって広がっていることを特徴とするウエハ載置用電極。