JPH029120A - 真空処理装置 - Google Patents

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］ 本発明は真空容器内で被処理物の処理を行う真空処理装
置に係り、特に多層構造の被処理物を層毎にエツチング
処理するのに好適のドライエツチング装置に関する。

［従来の技術］ 半導体製造過程では、エツチング装置やスパッタリング
装置、イオンインプラ装置、プラズマＣＶＤ装置、電子
ビーム描画装置、蒸着装置等の真空処理装置が種々使用
されている。

近年、集積回路製造工程は集積回路の高集積化・高速化
に伴い回路素子の微細加工が強く要求され、回路素子や
配線のパターンの線幅が約１μｍ又はサブミクロンにも
達し、そのパターンの厚さと線幅とのアスペクト比が１
以上となり、このためエツチング工程ではアンダーカッ
トや逆テーパ等を防止して寸法精度がよくかつ垂直なエ
ツチング形状が求められている。最も条件の厳しいエツ
チングの場合には、厚さ２μｍの配線パターン等を形成
するのに厚さ１．５μｍのフォトレジストマスクを用い
てエツチング処理する必要がある。

このような厳しいエツチング条件を満足するために、半
導体ウェハを適度に冷却してエツチング速度を調節する
ことが行われている。

また、１６Ｍビットの集積回路等になると、配線パター
ンを積層構造にすることが検討されている。例えば、第
５図に示したようにシリコン基板３０上の二酸化シリコ
ン層３１に形成された配線膜層３２はＴｉ８層３２ａと
Ａｌ−３ｉ−Ｃｕ層３２ｂとから構成される。この配線
膜層３２の上にはパターニングされたフォトレジスト３
３が塗布されており、このような二層構造の配線膜層３
２は同時にエツチングする必要がある。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、従来のエツチング装置は、単に被処理物を載
置する試料台を冷却し、この試料台から被処理物への熱
伝導によって被処理物を冷却する構成であるので、被処
理物の微妙な温度制御は不可能であり、このため１〜２
ミクロン更にはサブミクロンの厚さの薄膜を垂直かつ正
確な寸法にエツチングすることはできず、半導体製造の
歩留りの低下を招いていた。

更に、第２図に示した二層構造の薄膜３２を反応性イオ
ンエツチング（ＲＩ　Ｅ）装置によりエツチングする場
合には、第６図（ｂ）に示したように比較的高温（約１
５０’Ｃ）で処理すると第６図（ａ）のようにＡｌ−５
ｔ−Ｃｕ層３２ｂにアンダーカットが生じてしまう。こ
の原因はＴｉ８層３２ａとＡｌ−３ｔ−Ｃｕ層３２ｂの
エツチング速度に大きな差異があり、前者のエツチング
速度が後者の約１／２であることによる。これを防ぐた
めにして第７図（ｂ）に示したように半導体ウェハーを
約５０’Ｃに冷却しエツチング速度を小さくして処理す
ると第７図（ａ）のようにエツチング形状は高温処理に
比べて良好になる。しかしながら、半導体ウェハーの冷
却のためにＡｌ−３ｉ−Ｃｕ層３２ｂ中のＣｕが蒸発で
きず二酸化シリコン層３１上にＣｕ残留物３４として残
存してしまうという問題に加えて、第７図（ｂ）から分
るように処理時間が高温時に比べ約３倍も要し、これに
伴いフォトレジスト３３の後退によりエツチング精度も
低下するといった問題もある。

以上のような問題は、エツチング処理に限らず、被処理
物の冷却温度が処理に大きく影響を及ぼす真空処理一般
にあてはまる問題である。

このような問題は、被処理物の冷却温度を調節すること
によって解決することができるが、しかしながら、この
冷却温度を急速かつ高精度に調節することは極めて困難
であり、これまで彼処理物の冷却温度を急速かつ高精度
に調節することのできる真空処理装置は従業されていな
かった。

そこで、本発明の目的は、被処理物の冷却温度を急速か
つ高精度に調節することができる真空処。

理装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本発明は、真空容器内で被
処理物の処理を行う真空処理装置において、上記被処理
物を載置する試料台と、この試料台を冷却する冷却手段
と、上記被処理物を載置する上記試料台の載置面に開口
するように上記試料台を貫通し、この試料台とこれ上の
被処理物との間に冷却ガスを供給する冷却ガス供給手段
と、この冷却ガス供給手段が供給する冷却ガスの流量を
制御する流量制御手段とを具備し、上記冷却された試料
台は上記被処理物を、熱伝導により直接に冷却すると共
に上記冷却ガスを介して冷却するものである。

上記真空処理装置は上記被処理物の温度を検出する温度
検出器を更に具備し、上記流量制御手段はこの温度検出
手段の検出出力に応じて上記流星を制御することが好ま
しい。

また、上記真空処理装置は、多層構造の被処理物を層毎
にエツチング処理するドライエツチング装置であり、各
層毎のエツチング処理の終了を検出する終点検出器を更
に具備し、上記流量制御手段はこの終点検出器の検出出
力に応じて上記流量を制御することが望ましい。

上記流量制御手段は、上記冷却ガス供給配管を流れる冷
却ガスの流量を制御するマスフローコントローラーと、
このマスフローコントローラーにより流量制御された冷
却ガスの圧力を検出する圧力計とを含み、上記マスフロ
ーコントローラーは上記圧力計の検出出力に応じて上記
流量を制御するように構成してもよい。

更に、上記冷却ガス供給配管は上記マスフローコントロ
ーラーの設置位置よりも下流側に分岐管を有し、この分
岐管は可変弁を有し分岐した冷却ガスを排気系統に送る
ようにすることもできる。

上記真空処理装置は、被処理物をプラズマエツチング処
理するプラズマエツチング装置であり、上記真空容器内
には高周波電力が印加される一対の対向電極が配置され
、この一対の電極の一方は、上記試料台として作用し上
記被処理物を載置し、冷却液配管により冷却されること
好ましい。

［作　用］ 被処理物を載置した試料台は冷却手段により冷却され、
またこの試料台と被処理物との間には冷却ガス供給配管
から冷却ガスが供給される。これにより、上記冷却され
た試料台は、上記被処理物を熱伝導により直接に冷却す
ると共に上記冷却ガスを介して冷却する。流量制御手段
が冷却ガス供給配管の冷却ガスの流量を調節すると、こ
の冷却ガスを介した被処理物の冷却の度合が急速に変化
し、これにより被処理物の冷却温度を急速かつ高精度に
制御することができる。エツチングやスパッタリング等
の処理は、その処理速度が被処理物の温度に依存してい
るので冷却温度を急速かつ高精度に調節することにより
薄膜について極めて高精度の真空処理を行うことができ
る。

［実施例］ 以下に、本発明による真空処理装置の実施例を第１図を
参照して説明する。

第１図は本発明を高速ＲＩＥ装置に適用した実施例を示
し、真空容器１の下部には絶縁材２を介して試料台３が
配置されている。この試料台３は電極部材からなり、こ
の試料台用電極部材３には冷却液配管４が貫通している
。この冷却液配管４には冷却液が流通し試料台用電極部
材３を冷却する。試料台用電極部材３の上面には静電チ
ャック５が積層され、この静電チャック５はこの上に載
置された半導体ウェハー等の被処理物Ａを静電的に固定
する。この静電チャック５は、薄膜状電極５ａとこの薄
膜状電極５ａの全体を被覆した誘電体膜５ｂとから構成
されており、例えば、ＡＩ製の電極５ａをＡｌ２Ｏ３の
無機絶縁性誘電体膜５ｂで被覆したものや、Ｃｕ製電極
５ａをポリイミドの有機絶縁性誘電体膜５ｂで被覆した
ものや、その他の導電性金属をテフロン、５ｉ２０２等
で被覆したもの等を使用することができる。

試料台用電極部材３に対向した対向電極６が配置され、
試料台用電極部材３と対向電極６との間には整合回路７
を介して高周波電源８が接続されている。他方、静電チ
ャック用電極５ａには高周波遮断回路９を介して直流電
源１０が接続されている。

試料台用電極部材３と静電チャック５とを夫々厚み方向
に貫通する冷却ガス供給配管１１は、静電チャック５の
載置面の中央部に開口し、試料台用電極部材３と静電チ
ャック５との間に冷却ガスを供給する。この冷却ガスは
窒素やアルゴンやヘリウム等を任意に選択使用できる。

冷却ガス供給配管１１には、下流側にマスフローコント
ローラー１２が設置され、このマスフローコントローラ
ー１２の下流には閉止弁１３が設置され、更にこの閉止
弁１３の下流には圧力計１４が取付けられている。また
、冷却ガス供給配管１１は、閉止弁１３と圧力計１４と
の間において分岐した分岐管１５を有し、この分岐管１
５は可変弁１６を有し不図示の排気系に連通している。

また、被処理物Ａの裏面の温度を検出する温度検出器１
７が設置され、この温度検出器１７は熱雷対等から構成
され、本体が冷却ガス供給配管１１に取付けられ、検出
端部が冷却ガス供給配管１１内を挿通して被処理物Ａの
裏面に接触し又はそれに近接している。

真空容器１には、雰囲気ガスを対向電極６を介して導入
する雰囲気ガス導入配管工８と、真空容器から排気する
排気管１９と、容器内部の雰囲気ガス圧力を測定する圧
力計２０と、エツチング処理の終了時点を検出する終点
検出器２１とが設けられている。

次に、この実施例の作用を第５図に示した半導体ウェハ
ーの複層構造の配線パターンをエツチングする場合を例
にとって説明する。

冷却液配管４により冷却されている試料台用電極部材３
の上面に被処理物Ａを載置し、真空容器１の内部を不図
示の真空排気装置により排気管１９を介して排気すると
共に、上記静電チャック用電極５ａに直流電源１０の直
流電圧を印加して被処理物Ａを静電的に固定する。真空
容器１か所定の真空度に達すると、雰囲気ガス導入配管
１８が対向電極６を介してＡｒ等の雰囲気ガスを導入し
、また冷却ガス供給配管１１がマスフローコントローラ
ー１２によって流量制御された冷却ガスを試料台用電極
部材３（厳密にいうと静電チャック５）と被処理物Ａと
の間に供給する。この冷却ガスは冷却された試料台用電
極部材３を貫通する間に冷却されて上記試料台用電極部
材３と被処理物Ａとの間を流通し、被処理物Ａを冷却す
る。こうして被処理物Ａは、冷却された試料台用電極部
材３によって直接の熱伝導により及び上記冷却ガスを介
して所定温度に冷却される。この所定の冷却温度は第２
図（ａ）のＡｌ−５ｔ−Ｃｕ層３２ｂのエツチング処理
に最適な値、具体的には第２図（ｂ）に示すように約５
０°Ｃに選定される。

この状態で、高周波電源８の高周波電力を画電極３と６
との間に印加して被処理物ＡのＡｌ−５ｉ−Ｃｕ層３２
ｂにエツチング処理を施す。このとき真空容器１内の圧
力は圧力計２０により検出され所定の圧力に制御されて
いる。

終点検出器２１がこのＡｌ−３ｉ−Ｃｕ層３２ｂについ
てのエツチング処理の終了を検出し検出出力を発生する
と、マスフローコントローラー１２は、この検出出力に
応じて冷却ガスの流量を予め設定された値に減少させ、
被処理物Ａの温度を第２図（ｂ）に示したように約１５
０°Ｃに上昇させる。即ち、冷却ガスの流量が減少する
と冷却ガスの圧力も低下し、これによりこの冷却ガスを
介した被処理物の冷却の能力を低下させて被処理物Ａの
温度を約１５０”Ｃに上昇させる。こうして、この温度
でＴｉＮ層３２ａがエツチング処理される。

被処理物Ａの処理が終了したら、各電源８．１０をオフ
して被処理物を真空容器１から取出す。

第２図に示したようにＡｌ−３ｔ−Ｃｕ層３２ｂは比較
的低温で処理されるためアンダーカットが発生せず、Ｔ
ｉＮ層３２ａは比較的高温で処理されるので、Ｃｕ残留
物の発生もなくかつ処理時間も第７図（ｂ）に比べて大
幅に短縮することができる。

以上の被処理物の温度制御はマスフローコントローラー
１２が終点検出器２１の出力に応じてガス流量を予め設
定された値に制御する例であったが、この代わりにＡｌ
−８ｉ−Ｃｕ層３２ｂの所要処理時間を予め測定してお
き、この所要処理時間の経過に応じてマスフローコント
ローラー１２がガス流量を制御するようにしてもよい。

更に、冷却ガス圧をモニターする圧力計１４に基づき流
量制御することも可能である。即ち、第１層３２ｂの処
理と第２層３２ａの処理とについて冷却ガスの圧力を予
め定めておき、終点検出器２１の出力に応じて圧力計１
４の検出圧力が所定の圧力になるようにマスフローコン
トローラー１２若しくは可変弁１６又はその両方を制御
する。

また、温度検出器１７の出力に応じてマスフローコント
ローラー１２や可変弁１６を制御することも可能である
。

第３図は、冷却ガスの流量と被処理物の温度との関係を
測定した実験の結果を示したもので、試料台３を一定温
度２０”Ｃに冷却した状態で、冷却ガスの流量を変化さ
せたときの被処理物の温度が表されている。この表から
分るように冷却ガス流量の制御によって被処理物の温度
を３０″〜２２０’　Ｃの範囲で調整することができる
。

第４図は、冷却ガス流量の変化Ｒに対する被処理物温度
の変化Ｔの応答性を示したもので、冷却ガス流量を約５
００ｓｅｃｍと約１０１０００ｓｅの間で急変させた時
に被処理物温度が５秒以下の応答速度でもって約５０６
Ｃと約１５０°Ｃの間で変化することが分る。

上述の実施例では、冷却ガス供給配管１１は電極３の中
央部に一本のみ設けたが、被処理物を一層均一かつ急速
に冷却するために複数本設置してもよい。更に試料台３
の載置面に冷却ガス流通用の溝を刻設してもよい。

また、試料台への被処理物の密着も静電チャック方式に
限らず、機械的圧着方式でよい。

［発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、冷却
された試料台は上記被処理物を、熱伝導により直接に冷
却すると共に上記冷却ガスを介して冷却するため、冷却
ガス流量の制御によって高精度かつ急速に被処理物の温
度を変化させることができる。従って、薄膜を高精度に
処理することができ、特に複層構造の薄膜を層毎に被処
理物の温度を変えて処理することができる。

被処理物の温度を検出する温度検出器を設け、上記流量
制御手段がこの温度検出手段の検出出力に応じて上記流
量を制御するようにすれば、被処理物の温度を一層高精
度に調整することができる。

また、多層構造の被処理物の各層毎の処理終了を検出す
る終点検出器を設け、上記流量制御手段がこの終点検出
器の検出出力に応じて上記流量を制御するように構成す
れば、多層構造の被処理物を層毎に最適の温度にて処理
することができる。

流量制御手段により流量制御された冷却ガスの圧力を検
出する圧力計を設け、上記流量制御手段が上記圧力計の
検出出力に応じて上記流量を制御するように構成すれば
、被処理物の温度を一層高精度に調整することができる
。

上記冷却ガス供給配管が上記流量制御器の設置位置より
も下流側に分岐管を有し、この分岐管が可変バルブを有
し分岐した冷却ガスを排気系統に送るように構成すれば
、この可変バルブにより冷却ガスの流量を一層高精度に
調整することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明をエツチング装置に適用した実施例を
示した概略構成図、第２図（ａ）と（ｂ）は夫々上記実
施例によってエツチングされた被処理物を示した断面図
とエツチング処理の時間と温度を示したグラフ、第３図
は冷却ガスの流量と被処理物の温度との関係を示した図
、第４図は冷却ガス流量の変化に対する被処理物温度の
応答性を示したグラフ、第５図は半導体ウェハーの断面
を示した断面図、第６図（ａ）と（ｂ）は従来のエツチ
ング装置によってエツチングされた被処理物を示した断
面図及びエツチング処理の時間と温度を示したグラフ、
第７図（ａ）と（ｂ）は従来のエツチング装置によって
エツチングされた被処理物を示した断面図及びエツチン
グ処理の時間と温度を示したグラフである。 Ａ・・・被処理物、３・・・試料台用電極、４・・・冷
却液管（冷却手段）、１１・・・冷却ガス供給配管、１
２・・・マスフローコントロラー（流量制御手段）、１
４・・・圧力計、１７・・・温度検出器、２１・・・終
点検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器内で被処理物の処理を行う真空処理装置に
   おいて、上記被処理物を載置する試料台と、この試料台
   を冷却する冷却手段と、上記被処理物を載置する上記試
   料台の載置面に開口するように上記試料台を貫通し、こ
   の試料台とこの上の被処理物との間に冷却ガスを供給す
   る冷却ガス供給配管と、この冷却ガス供給配管が供給す
   る冷却ガスの流量を制御する流量制御手段とを具備し、
   上記冷却された試料台は上記被処理物を熱伝導により直
   接に冷却すると共に上記冷却ガスを介して冷却すること
   を特徴とする真空処理装置。 ２、上記真空処理装置は上記被処理物の温度を検出する
   温度検出器を更に具備し、上記流量制御手段はこの温度
   検出手段の検出出力に応じて上記流量を制御することを
   特徴とする請求項１記載の真空処理装置。 ３、上記真空処理装置は、多層構造の被処理物を層毎に
   エッチング処理するドライエッチング装置であり、各層
   毎のエッチング処理の終了を検出する終点検出器を更に
   具備し、上記流量制御手段はこの終点検出器の検出出力
   に応じて上記流量を制御することを特徴とする請求項１
   記載の真空処理装置。 ４、上記流量制御手段は、上記冷却ガス供給配管に設置
   されこの配管を流れる冷却ガスの流量を制御するマスフ
   ローコントローラーと、このマスフローコントローラー
   により流量制御された冷却ガスの圧力を検出する圧力計
   とを含み、上記マスフローコントローラーは上記圧力計
   の検出出力に応じて上記流量を制御することを特徴とす
   る請求項１記載の真空処理装置。 ５、上記冷却ガス供給配管は上記マスフローコントロー
   ラーの設置位置よりも下流側に分岐管を有し、この分岐
   管は可変弁を有し分岐した冷却ガスを排気系統に送るこ
   とを特徴とする請求項４に記載の真空処理装置。 ６、上記真空処理装置は、被処理物をプラズマエッチン
   グ処理するプラズマエッチング装置であり、上記真空容
   器内には高周波電力が印加される一対の対向電極が配置
   され、この一対の電極の一方は、上記試料台として作用
   し上記被処理物を載置し、冷却液配管により冷却される
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空処理装置。