JPH06124998A

JPH06124998A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH06124998A
Application number: JP27326792A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Hidetoshi Wakamatsu; 秀利若松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 1994-05-06

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ耐性、耐熱性、熱応答性、均熱性、
絶縁寿命が良好であり、かつｉｎ−ｓｉｔｕチャンバー
クリーニングガスに対するセラミックスの耐腐食性が良
好であり、また、半導体ウェハ基板裏面への堆積物の回
り込みがなく、さらに静電チャックの吸・脱着が高速で
できるプラズマ処理装置を提供すること。【構成】対向電極間に高周波電力を供給することによ
り、前記電極間にプラズマを発生させ、電極間上の被処
理物を前記プラズマにより処理するように構成されたプ
ラズマ処理装置において、対向する電極に被処理物を静
電気によって固定するための吸着手段が設けられてお
り、かつ電極自身に熱あるいは冷却可能な温度制御手段
を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。吸着手段
は、容器内に設けられた対向する電極内に埋設され、温
度制御手段は、容器内に設けられた対向する電極内に埋
設される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に係
る。より詳細には、減圧可能な容器内に設けられた対向
する電極間に高周波電力を供給し、その電極間にプラズ
マを発生させ、その電極上の被処理物をプラズマにより
処理し、かつその電極上の被処理物は電極自身を高温あ
るいは冷却でき、被処理物の温度制御ができるように構
成されたプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超ＬＳＩの集積度の増大に伴い、極限微
細化デバイスに対する高性能、高信頼性、高歩留りを実
現するための半導体製造装置への要求は益々多大なもの
となって来ている。

【０００３】微細素子の寸法を精密に制御し、又素子の
特性、その信頼性を良好なものとするためには、微細加
工技術のみならず、半導体デバイスの製作に用いる各種
材料（半導体ウェハ、絶縁材料、金属薄膜他）の高品質
化が非常に重要になってくる。このため、超ＬＳＩの製
造プロセスでは、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥ
ｔｃｈｉｎｇ）法、バイアススパッタリング法、プラズ
マＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法等のような放電を用いたエッチングある
いは薄膜形成等のプロセスの比重が益々増加してきてい
る。

【０００４】半導体デバイス製造工程では、薄膜形成、
パターニング、エッチング、イオン注入等の要素技術を
必要とする。高集積化に伴いウェハは大口径となり、設
計寸法はディープサブミクロンとなり、ウルトラクリー
ン対応で、かつ全てのプロセスが５００℃以下の低温で
処理可能な低温化プロセス技術の発展が要求されてい
る。

【０００５】薄膜形成技術への要求は、金属、半導体、
絶縁物にかかわらず、微細なパターン上に高品質の薄膜
を大面積にわたって均一に、高速で、下地基板に損傷や
汚染を与えることなく低温で成膜することである。

【０００６】また、パターニング技術への要求は、下地
基板の材質や下地段差形状にかかわらず、微細なパター
ンを正確に、かつ大面積にわたって同一露光条件で、均
一にレジストパターン形成ができることである。そし
て、下地基板に損傷や汚染を与えることなく現像するこ
とである。

【０００７】さらに、エッチング技術への要求は、微細
なパターンをエッチングマスク寸法に忠実に変換差を生
じさせることなく、大面積にわたって均一に、高速で、
かつ高選択比で、下地基板に損傷や汚染を与えることな
く低温で加工することである。

【０００８】また、イオン注入技術への要求は、ウェハ
のチャージアップや装置からのメタルコンタミネーショ
ンが全くなく、微細なパターン領域に、正確に、かつ大
面積にわたって均一に、高速で、下地基板に損傷や汚染
を与えることなく、高濃度あるいは低濃度の不純物を基
板の温度上昇のない低温で打ち込むことである。そし
て、その後５００℃以下の低温熱処理で打ち込んだ不純
物を完全に活性化することである。

【０００９】これらの要素技術の要求を満足し、低温化
プロセスを実現するためには、ウェハの平面度矯正や表
面温度などの精密制御が必要不可欠になってきている。
すなわち、プロセスが低温化した場合、ウェハの保持精
度や表面温度の均一性が揺らがないプロセスを実現する
ことが、プロセスパラメータの完全制御を実現するため
に重要である。そこで、ウェハの表面温度の均一化や平
面度矯正などの精密制御機能を付与できない従来の機械
的なチャッキング方式よりも、静電気力によってウェハ
を試料ステージに密着できる静電チャックによるチャッ
キング方式が必要になってきている。

【００１０】ウェハをチャッキングするとき、裏面全面
チャックが静電チャックのあるべき姿の基本である。こ
れは、ウェハの加熱・冷却におけるウェハと試料ステー
ジとの間のヒートフロー、すなわち熱抵抗を均一にする
必要があるためである。このためには、静電チャックの
ウェハ吸着表面だけでなく、ウェハ自身の裏面も完全な
マイクロラフネスフリーでなければならない。

【００１１】また、完全にダストのつかない状況に試料
ステージを置かなければならないことが重要である。ウ
ェハ裏面以外を掴めば必ずクロスコンタミネーションや
ダスト発生の原因になるだけでなく、ウェハの表面温度
の不均一性の原因になる。従来のようなウェハを機械的
なクランプ方式でチャッキングする方法は、ウェハの周
辺を抑えなければならないため、必ずクロスコンタミネ
ーションやダスト発生の原因になることは明らかであ
る。例えば、クランプ自身がウェハへのメタル汚染源に
なったり、ウェハ表面を擦ったりしてダスト発生源にな
るからである。

【００１２】また、ウェハ表面についたクランプの跡
は、ある薄膜形成工程においてウェハ面内の膜組成や膜
内部応力を変化させたり、その後の工程で膜剥がれを生
じさせたりして、ダスト発生源になる。さらに、クラン
プ周辺では、膜厚分布や温度分布が不均一となり、パタ
ーニングのときの露光不良やエッチング不均一性の原因
にもなる。また、ウェハの反る原因や結晶欠陥を誘起さ
せる原因にもなる。

【００１３】このようなウェハ周辺のクランプによる影
響を避けるために、現行のプロセスでは、周辺露光技術
によってウェハ周辺に付いた薄膜を各エッチング工程毎
に除去するという工程数を増やすことで対応している。
また、ウェハプロセスの熱履歴においては、プロセス中
にウェハ周辺に結晶欠陥が誘起しないようにプロセス中
にウェハ自身に急激な温度差が生じないような温度処理
サイクルにすることで対応している。

【００１４】このため、ウェハのトータルプロセスの処
理時間が非常に長くなる。また、真空吸着を使ったチャ
ッキング方式は、大気圧中におけるウェハ搬送・固定に
は使えるが、今後主流になるプラズマを応用したドライ
エッチングなどの真空中の要素プロセスには使えない。

【００１５】上で述べたように、従来のような機械的な
クランプや真空吸着を使ったチャッキング方式は、ウェ
ハ裏面の温度均一化が高精度に制御できないだけでな
く、半導体製造装置のウルトラクリーン化やウェハ表面
のウルトラクリーン化には最適でない。しかし、静電気
力によってウェハの裏面を試料ステージに密着できるセ
ラミックス静電チャックは、ウェハ表面温度の均一性向
上のためだけでなく、半導体製造装置のウルトラクリー
ンを維持するためになくてはならないものである。

【００１６】近年、プラズマを応用した半導体製造装置
に静電チャックを利用している例が数多く報告されてい
る。

【００１７】しかしながら、現在のプラズマプロセスに
用いられている静電チャックでは、セラミックス素材の
プラズマ耐性、耐熱性、熱応答性、均熱性、ガス放出
性、およびｉｎ−ｓｉｔｕチャンバークリーニングガス
に対するセラミックスの耐腐食性、チャッキングのＯＮ
／ＯＦＦによるセラミックス素材の絶縁寿命、高速チャ
ッキング機能、チャック面へのダスト付着物除去機能あ
るいはプロセス中の反応副生成物の付着物除去機能、半
導体ウェハ基板裏面への堆積物の回り込み防止が極めて
不十分にしか行われていない現状である。

【００１８】バイアススパッタリング技術によってシリ
コン薄膜を成長させる場合を例にとって、従来技術に係
る静電チャックを利用したプラズマ処理装置で発生する
問題点について具体的に説明する。

【００１９】図８は、２周波励起のプラズマプロセス装
置の模式図である。本装置の特徴は、１０００ｌ／ｓｅ
ｃの排気速度を持つ真空排気装置４０２が接続されてい
る減圧可能な容器４０１に、ガス導入口４０３を介して
例えば、アルゴン（Ａｒ）ガスを数ｃｃ／ｍｉｎ〜１０
００ｃｃ／ｍｉｎの範囲に設定して導入することができ
ることである。このとき容器４０１内の圧力は、数ｍＴ
ｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒに保持される。プラズマは、
例えば、１００ＭＨｚの高周波電源４０４によって容器
４０１内に設けられた対向する電極間４１０に数ワット
〜５００ワットの範囲で高周波電力を供給し、容器４０
１内に導入されたＡｒガスを効率良く放電させることに
より発生できるようになっている。Ｓｉ薄膜の形成は、
プラズマとターゲット４１１の間に発生した電位差を利
用してプラズマにより発生したアルゴンイオン（Ａｒイ
オン）を上部電極４１２に保持してあるシリコン（Ｓ
ｉ）４１１のターゲットにぶつけ、その運動エネルギー
によってターゲット４１１をスパッタする。スパッタに
よって飛び出したＳｉ原子は、下部電極４１７に保持さ
れている半導体ウェハ基板４１６の表面に飛来して、プ
ラズマと半導体ウェハ基板４１６の間に発生した電位差
を利用して半導体ウェハ基板４１６に吸着し、単結晶Ｓ
ｉ薄膜を成長させる。ターゲットの電位は、直流電源４
０５で任意の値に設定できるようになっており、実際に
は、数Ｖ〜１０００Ｖに設定することにより効率良くタ
ーゲット４１１のスパッタが行われるようにしてある。

【００２０】上部電極内部には、ターゲット４１１表面
のプラズマ密度を高くするために数百から数千ガウスの
永久磁石４１４が設けられている。また、半導体ウェハ
基板４１６の電位は、４０ＭＨｚの高周波電源４０７の
高周波電力を変化させることで設定できるようになって
おり、これを適当な正の値から負の値の範囲で任意に設
定することによりＳｉ薄膜の表面にＡｒイオンを最適な
イオンエネルギーで照射することが可能になっている。
これは、半導体ウェハ基板４１６が導電性材料でも絶縁
性材料のものでもイオン照射エネルギーを正確に制御性
良く設定できるようになっている。また、下部電極４１
７には、直流電源も接続されており、半導体ウェハ基板
に直接直流電圧を印加できるようになっている。

【００２１】Ｓｉのターゲット４１１は、上部電極４１
２に静電チャックを利用して保持されている。この静電
チャックの吸着電圧は、直流電源４０６によって印加で
きるようになっている。半導体ウェハ基板４１６は、下
部電極４１７に静電チャックを利用して保持されてい
る。この静電チャックの吸着電圧は、直流電源４０９に
よって印加できるようになっている。

【００２２】上部電極４１２側は、スパッタされている
間にＳｉターゲット自身の温度上昇が生じないように上
部電極内部４１５には冷媒材料（例えば、冷却水）が流
れるようになっている。下部電極４１７側は、基板温度
をある適当な温度に維持するためにヒーター４１９が設
けられている。ヒーター部４２０には、真空排気口４２
１が設けられており、フィラメント４１８が酸化されな
いように真空排気できるようになっている。フィラメン
ト４１８は、輻射加熱によって下部電極４１７と一体に
なっている電極４１９を加熱できるようになっている。

【００２３】しかし、上記従来技術には、次のような問
題点がある。

【００２４】まず、プラズマプロセスにおいては、静電
チャックを構成しているセラミックス素材（例えば、ア
ルミナセラミックス（Ａｌ₂０₃））がプロセス中にプラ
ズマに曝されていることから、半導体ウェハ基板表面へ
セラミックス成分が付着し、プロセスパラメーターの完
全制御ができず、デバイスへの高性能化、高速化、高信
頼性化の劣化という問題がある。どんなセラミックスの
材料でもイオン照射のイオンエネルギーが４０ｅＶ以上
の高いエネルギーをもったイオンに曝されると、スパッ
タされる。例えば、イオン照射エネルギーが４０ｅＶ以
上必要なメタルスパッタリングや反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）などの比較的高いエネルギーのイオン照射
プロセスでは、セラミックスのスパッタリングが生じ
る。

【００２５】しかし、イオン照射エネルギーが４０ｅＶ
以下を必要とするシリコンスパッタリングによる低温
（例えば、２５０℃）エピタキシャル成長やハロゲン系
ガス（例えば、フッ素（Ｆ），塩素（Ｃｌ），臭素（Ｂ
ｒ）など）を用いたｉｎ−ｓｉｔｕチャンバークリーニ
ングなどの低イオンエネルギーイオン照射プロセスで
は、セラミックスのスパッタリングは生じない。ただ、
セラミックスが高温加熱されている状態でプラズマに曝
されると、セラミックスは４０ｅＶ以下の低イオンエネ
ルギー照射でもスパッタされやすくなるため、半導体ウ
ェハ基板への汚染は避けられないという問題がある。

【００２６】また、加熱あるいは冷却を必要とするセラ
ミックス静電チャックは、セラミックスの絶縁抵抗が温
度によって大きく変化するため、ある任意の使用温度に
対しては半導体ウェハ基板の吸着力が劣化するという問
題がある。セラミックス静電チャックの吸着力を向上さ
せるために、例えば、アルミナセラミックス中に金属酸
化物を数％混入する方法を試みたが、この場合でも、セ
ラミックスが加熱状態に保持され、プラズマに曝される
と、金属酸化物がアルゴンイオンによってスパッタさ
れ、半導体ウェハ基板を汚染するという問題がある。ま
た、セラミックスの中に金属酸化物を混入したため、逆
に、温度上昇によってセラミックスの絶縁抵抗が低下
し、吸着力が低下するという問題がある。セラミックス
の絶縁抵抗は、使用温度に対して抵抗率が１０⁹から１
０¹⁵Ωｃｍの範囲内で最適な絶縁抵抗率になるように設
定する必要がある。

【００２７】また、半導体ウェハ基板を加熱する場合、
試料ステージを加熱する方法が、フィラメントによる輻
射加熱であるため、半導体ウェハ基板表面をある任意の
設定温度にするのに、多くのフィラメント加熱電力が必
要になり、熱応答性が悪いという問題がある。また、こ
のような方法で試料ステージを加熱すると、半導体ウェ
ハ基板表面の温度の不均一性やフィラメントの寿命劣化
という問題も生ずる。また、上部電極側は、プラズマプ
ロセス中にターゲット自身が温度上昇しないように十分
に冷却する必要がある。この上部電極は、静電チャック
の電極を介して冷却水で冷却する方法をとっている。こ
のような場合、下部電極を加熱しないときは上部電極の
冷却は十分に行えるが、下部電極を、例えば、５００℃
程度に加熱したときは、輻射熱によって上部電極も同時
に加熱されるため、十分な冷却効果がないという問題が
ある。

【００２８】また、プロセスの安定性、再現性および信
頼性を維持し、プロセスパラメーターを完全制御するた
めには、プロセスチャンバーを大気開放せずに、各プロ
セス終了後、あるいは数ロット処理後にｉｎ−ｓｉｔｕ
で、例えば、ハロゲン系ガスを用いてクリーニングする
必要がある。従来のような静電チャックで半導体ウェハ
基板を吸着する保持方法では、静電チャック部にわずか
に気孔が存在するセラミックス表面にターゲット材料が
付着すると、プラズマによるｉｎ−ｓｉｔｕチャンバー
クリーニング処理を行っても十分に付着物を除去できな
いという問題がある。さらに、付着物を完全に除去しよ
うとしてクリーニング時間を長くすると、セラミックス
自身が腐食されて絶縁膜の膜厚が薄くなり、絶縁耐圧が
劣化するという問題が生ずる。付着物が除去されずに残
ってしまうと、その部分での平坦性が悪くなり、吸着力
が劣化するという問題も生じる。

【００２９】また、生産工場では、一つの静電チャック
が一年間で約１００万回チャッキングしている。プロセ
スの安定性、再現性、信頼性を維持するためには、この
チャッキング回数に耐えうる静電チャックが必要であ
る。現実には、チャッキング毎にチャック面が磨耗する
し、強電界による絶縁耐圧の劣化という問題がある。

【００３０】また、トータルプロセスのＴＡＴ短縮や各
プロセスの処理時間を短縮するためには、静電チャック
の吸・脱着時間を短くした高速チャッキング機能が必要
である。半導体ウェハ基板の周辺を直接機械的に保持し
て搬送する機能だと、半導体ウェハ基板の表や裏を擦っ
てしまい、ダストが発生するという問題がある。また、
この発生したダストが半導体ウェハ基板と一緒にプロセ
スチャンバーに持ち込まれ、静電チャックの吸着面に付
着してしまい、半導体ウェハ基板が試料ステージに吸着
されなくなるという問題も生ずる。

【００３１】また、半導体ウェハ基板の周辺がプラズマ
に曝されていると、スパッタされたＳｉ原子が半導体ウ
ェハ基板の裏面に回り込んで付着してしまうという問題
がある。また、この半導体ウェハ基板裏面に付着したま
ま次工程へ進むと、静電チャックの吸着面に半導体ウェ
ハ基板が吸着しないという問題が生ずる。もし、半導体
ウェハ基板が静電チャックの吸着面に吸着されても、表
面温度の均一性が悪くなるという問題が生ずる。

【００３２】また、ターゲットＳｉおよび半導体ウェハ
基板に電圧を印加するピン端子がターゲットＳｉや半導
体ウェハ基板の裏面から接する構造になっている。この
ピン端子は、気密性を保つために、例えば、ＥＢ溶接
（電子ビーム溶接）を使ってセラミックスと金属を接続
してある。このような接続方法では、半導体ウェハ基板
を加熱したとき、このピン端子部が半導体ウェハ基板表
面の温度の不均一性を生じさせるという問題がある。

【００３３】また、対向する電極間に高密度のプラズマ
を発生させるためには、高周波電力が対向する電極間に
効率的に導入されないといけない。マッチング回路と対
向するそれぞれの電極の間の距離がながいため、リアク
タンス成分が高い周波数になるほど大きくなり、高周波
電力が対向する電極間に効率的に導入されないで損失を
生じるという問題がある。また、このリアクタンス成分
が大きい為、反射波をなくするためのマッチング回路の
調整が難しくなるという問題もある。

【００３４】また、対向するそれぞれの電極内に埋設さ
れているプラズマを励起するための、あるいは被処理物
を吸着させるための金属の電極板（例えば、高融点金属
であるタンタルまたはモリプデンなど）は、数ミリメー
ターの厚さを持っており、電極自身の構造が大きくなる
だけでなく、被処理物を加熱あるいは冷却する効率が悪
くなり、かつ均熱性も悪くなり、さらには、埋設されて
いる金属電極板と絶縁膜との熱膨張係数の違いから、絶
縁膜が剥がれるという問題がある。

【００３５】なお、以上の問題は本発明者が見いだした
ものである。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、絶縁物（例
えば、セラミックス素材）で構成され、減圧可能な容器
内に設けられた対向する静電チャック機能を備えている
電極において、プラズマ耐性、耐熱性、熱応答性、均熱
性、絶縁寿命が良好であり、かつｉｎ−ｓｉｔｕチャン
バークリーニングガスに対するセラミックスの耐腐食性
が良好であり、また、半導体ウェハ基板裏面への堆積物
の回り込みがなく、さらに静電チャックの吸・脱着が高
速でできるプラズマ処理装置を提供することを目的とす
る。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ処理装
置は、減圧可能な容器内に設けられた対向する電極に高
周波電力を供給することにより、前記電極間にプラズマ
を発生させ、前記電極上の被処理物を前記プラズマによ
り処理するように構成されたプラズマ処理装置におい
て、前記容器内で被処理物をある最適な温度で加熱ある
いは冷却した状態でもプロセスパラメーターを完全制御
することができるように、プラズマ励起のための電極と
被処理物を加熱あるいは冷却するヒーター材が同一のセ
ラミックス絶縁物の中に埋設された前記電極を設けたこ
とと、セラミックス絶縁物で構成され、かつ静電チャッ
ク機能を備えた保護リング上に被処理物を吸着させ、被
処理物と保護リングを一緒に前記電極上に静電チャック
で吸着できるようにしたことを特徴とする。

【００３８】

【作用】本発明では、減圧可能な容器内の対向する電極
としてプラズマ励起のための電極と被処理物を加熱ある
いは冷却することができるヒーター材を同一のセラミッ
クス絶縁物の中に埋設するようにしたため、被処理物を
ある一定の温度に保持しても被処理物表面の均熱性が非
常に良く、プロセスパラメーターの完全制御が実現でき
る。また、被処理物への熱伝導が良好であるため、少な
い電力で被処理物を加熱あるいは冷却することができ、
低消費電力のシステムが実現できる。

【００３９】また、ヒーター材の埋め込みパターンが電
磁波を発生させない無誘導型の埋設方法を採用している
ため、被処理物を加熱あるいは冷却した状態でも被処理
物固定ステージから電磁波が発生せず、プラズマが生成
中でも電磁場の乱れがない均一なプラズマを発生維持す
ることができ、プロセスパラメーターの完全制御が可能
となり、信頼性の向上ならびに歩留りの向上が実現でき
る。

【００４０】また、被処理物固定ステージをプラズマか
ら保護するために保護リング上に被処理物を固定するよ
うにして、保護リングと被処理物を一緒に被処理物固定
ステージに静電チャックで固定するようにしたため、被
処理物固定ステージにスパッタされた堆積物が付着して
静電チャックの吸着力を低下させる原因となる絶縁耐圧
の劣化を防ぐことができ、かつ保護リングの周辺部をプ
ラズマの中に入るように被処理物の表面より高くするよ
うにしたため、被処理物の裏面への堆積物の回り込み防
止が可能となり、被処理物固定ステージの静電チャック
機能を長期間安定に動作させることができ、メンテナン
スは保護リングの定期的な交換のみを行うだけでよく、
被処理物固定ステージのメンテナンスフリーを可能にし
た稼働率の高いプラズマ処理装置が実現できる。

【００４１】また、被処理物を静電チャック機能を備え
た被処理物固定ステージから放すときは、被処理物を直
接搬送アームで保持して移動させるのではなく、被処理
物が載っている保護リングを搬送アームで保持すること
によってメカニカル的に移動させることができるように
したため、高速チャッキングが可能となり、プロセスの
処理時間の短縮が実現できる。

【００４２】また、保護リングの絶縁抵抗を被処理物固
定ステージより小さくなるようにしたため、被処理物固
定ステージから被処理物への熱伝導が良くなり、被処理
物表面の温度の均熱性が効率的に制御でき、かつプラズ
マ生成中でも絶縁抵抗の小さい保護リングを介してイオ
ンや電子などが外部へ逃げていくため、被処理物固定ス
テージが帯電することがなくなり、被処理物表面に製作
した、例えば、絶縁膜の絶縁破壊を防止でき、安定に高
速動作するＬＳＩを製作することが可能となり、信頼性
の向上ならびに歩留りの向上が実現できる。

【００４３】また、対向する電極の高周波電力を導入す
る導体は、リアクタンス成分を１オーム以下にするため
に、電極裏面周辺から、例えば、半径１０ｍｍ、長さ５
０ｍｍの金属導体を約１６本引き出して、マッチング回
路と接続するようにしたため、例えば、２００ＭＨｚと
いう高い周波数においても大きい高周波電力を効率よく
対向する電極間に導入することができ、高密度のプラズ
マを生成することが可能となり、比較的に低い温度に被
処理物を加熱した状態でも、プロセスパラメーターを完
全制御できる低温化プロセス対応のプラズマ処理装置が
実現できる。

【００４４】また、対向する電極は、それぞれ加熱ある
いは冷却する方法は異なるが、全く同じ構成部品、例え
ば、被処理物固定ステージと保護リングからできている
ため、被処理物の交換が一つの搬送アーム機構を使って
行えるようにしたため、容器の大きさをコンパクトにで
きるだけでなく、メンテナンスのための交換部品を少な
くできるため、装置にかかる値段を低価格にでき、高性
能で、かつ多機能な装置を導入した量産工場が実現でき
る。

【００４５】また、対向する電極内に埋設されているプ
ラズマを励起するための金属電極板の厚さとしては、表
皮効果による高周波電流が導体の表面を流れることか
ら、この表皮厚さだけの膜厚があれば充分である。例え
ば、周波数が２００ＭＨｚの場合、埋設金属電極板がタ
ングステンとすると、表皮厚さが８．１８μｍとなるた
め、金属板の厚さはこの表皮厚さの約３倍程度の厚さが
必要になる。このように電極内に埋設されている金属板
が非常に薄いため、電極自身を非常に薄い構造で形成で
きるようになり、かつ被処理物への熱伝導が効率的に行
えるため、被処理物表面の均熱性が良好になり、プロセ
スの安定性、ならびに信頼性の高いプラズマ処理装置が
実現できる。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１を参照にして
説明する。

【００４７】図１は、本発明の一実施例を示す２周波励
起方式のバイアススパッタリング装置の模式図である。
この装置の特徴は、すでに従来技術のところで詳細に説
明したので省略する。ここでは、本発明の特徴とすると
ころを詳細に説明する。

【００４８】減圧可能な容器１０１内に設けられた対向
する上下の電極は、それぞれ被処理物固定ステージ１１
５，１２１と保護リング１１４，１２０とから構成され
ており、加熱あるいは冷却する方法は異なっているが全
く同じ形の構成部品でできている。被処理物１１３は、
保護リング１１４を介して保護リング１１４と一緒に固
定ステージ１１５に静電気力によって固定されるように
なっている。保護リング１１４には双極電極が埋設され
ており、搬送アーム（図示せず）から直流電圧が印加さ
れるようになっており、被処理物１１３を静電チャック
によって固定することができる。

【００４９】被処理物１１３を、被処理物固定ステージ
１１５に直流電源１０６から供給される印加電圧によっ
て吸着させた後は、搬送アームは切り放され、直流電源
１０７による印加電圧によって保護リング１１４を被処
理物固定ステージ１１５に静電チャックによって吸着、
固定されるようになっている。また、被処理物１１９も
上述のような方法で被処理物固定ステージ１２１に保護
リング１２０と一緒に静電チャックによって吸着、固定
されるようになっている。被処理物１１９の交換は、被
処理物１１９を静電チャックによって保護リング１２０
に吸着させた状態のままで搬送アームで保持して行うよ
うになっている。なお、被処理物固定ステージ１１５と
保護リング１１４の絶縁膜は、全く同じ材質により構成
してもよいが、被処理物固定ステージ１１５の帯電を防
止するために、保護リング１１４の絶縁抵抗が、被処理
物固定ステージ１１５の絶縁抵抗より低くなるような材
質により構成することが望ましい。

【００５０】また、下部電極側の被処理物固定ステージ
１２１には、被処理物１１９を加熱するためのヒーター
材１２３のみが埋設されているが、０℃以下の低温に被
処理物１１９を冷却するために、ヒーター材１２３の他
に冷媒ガスが流れる配管が埋設されていても構わない。
なお、冷却するための配管自身が加熱できるようになっ
ていても構わない。上部電極側は、被処理物１１３を冷
却することのみを考えればいいので、埋設された冷却配
管の中には、冷却水だけでなく、冷却効果のある冷媒ガ
スであれば他のものでも構わない。

【００５１】また、上部電極側には、被処理物１１３の
スパッタ速度を速くするために、高密度のプラズマを生
成するために、電極内部に数百ガウスから数千ガウスの
範囲の永久磁石が設けられているが、この永久磁石は、
必ずしも上部電極内部に設けられている必要がなく、対
向する電極間の両側に設けられていても構わないし、容
器１０１の外側に対向する電極間に平行磁場ができるよ
うに永久磁石を設けても構わない。また、この永久磁石
は、動かないように固定されているが、プラズマ密度が
対向する電極間で均一になるように回転させる機構を持
たせても構わない。また、上部電極側のみに永久磁石を
設けているが、下部電極側にも永久磁石を設けても構わ
ない。このとき、下部電極を加熱するときはこの永久磁
石の磁束密度が低下しないように冷却機構を設けること
は言うまでもない。なお、プラズマ密度を高くするため
に、永久磁石を使っているが、対向する電極間に平行磁
場を発生できるものであれば他のものでも構わない。

【００５２】図２は、プラズマ励起のための金属板電極
２０６と被処理物１１９を加熱するためのヒーター材２
０２が絶縁物２０１中に埋設されている状態を示す模式
図である。本例では、ヒーター材２０２は、電磁波が発
生しないように無誘導型の埋設パターンになっている。
被処理物１１９の中心と周辺の表面温度調整を効率的に
行い、均熱性をよくするために、ヒーターを２つのゾー
ンに分割して加熱できるようになっている。すなわち、
一つのゾーンは、端子２０３ａと端子２０３ｂの間でコ
ントロールし、もうひとつは、端子２０３ｂと端子２０
３ｃの間でコントロールできる。なお、均熱性をよくす
るために、ヒーターの加熱ゾーンを２つにしなくても、
それ以上のゾーンを設けても構わない。ヒーター材２０
２として、ワイヤー状のものを絶縁物２０１の中に埋設
してあるが、被処理物１１９の均熱性を良くでき、熱伝
導の良いものであれば他の形状（例えば、板又は管）の
ものでも構わない。

【００５３】図３は、プラズマ励起のための金属板電極
２０６が絶縁物２０１の中に埋設されている状態を示す
模式図である。金属板電極２０６上の絶縁膜２０５の膜
厚は１００〜３００μｍの範囲の厚さであればよい。高
周波電力を導入する端子２０７は、図に示されるように
電極裏面の周辺から引き出される構造になっており、高
い周波数で使用しても多くの高周波電流を流すことがで
き、かつ電力消費を起こさせないためにリアクタンス成
分が大きくならないように、例えば、１オーム以下にな
るように数十本引き出せるようになっている。なお、使
用する周波数においては、この引き出し端子の数は少な
くても構わない。また、本例では、直径が１０ｍｍの端
子を絶縁物２０１の中に埋め込んだ。ただ、金属板電極
２０６に絶縁膜をコートするのに問題がなければ直径の
大きいものを埋め込んでも構わない。それによって、端
子数を少なくしてもかまわない。また、埋設されている
金属板電極２０６は、本例では板状のものを例示してい
るが、自己バイアスやプラズマ密度が板状の電極を入れ
たものに比べて変動がなければ、例えば、板に小さい穴
の開いた電極を用いても構わないし、短冊状のものを用
いても構わない。

【００５４】図４は、被処理物１１９に電圧を印加する
ための電極端子２０８ａ、２０８ｂ、ならびに保護リン
グ２１５を被処理物固定ステージ１２１に静電チャック
によって吸着させるための電極端子２１０ａ、２１０ｂ
と電極２１１ａ、２１１ｂの位置と構造を示す模式図で
ある。

【００５５】電極２０９ａ、２０９ｂは、被処理物固定
ステージ１２１の周辺の表面に露出しており、保護リン
グ２１５の裏面電極がこの電極２０９ａ，２０９ｂに接
するようになっている。

【００５６】電極２１１ａ、２１１ｂは、被処理物固定
ステージ１２１の絶縁物の中に埋設されており、保護リ
ング２１５を静電チャックにより吸着、固定できるよう
になっている。なお、電極２０９ａ、２０９ｂは、被処
理物固定ステージ１２１の周辺に金属電極面が露出され
た状態で埋め込まれている構造になっているが、保護リ
ング２１５を介して被処理物１１９に電圧が供給できる
方法であればほかの方法でも構わない。

【００５７】図５は、保護リング２１５における被処理
物１１９に電圧を印加する電極２１３ａ、２１３ｂと被
処理物１１９を搬送アームを介して保護リング２１５に
静電チャックで吸着させるための電極２１４ａ、２１４
ｂの位置と構造を示す模式図である。電極２１２ａ、２
１２ｂは、被処理物固定ステージ１２１の被処理物１１
９に電圧を印加するための電極２０９ａ，２０９ｂ（図
４）と接する電極である。

【００５８】なお、上記実施例では、バイアススパッタ
リング装置を用いる場合について説明したが、これは、
プラズマを用いる、例えば、ＲＩＥ技術、プラズマＣＶ
Ｄ技術、ＥＣＲを用いたＣＶＤあるいはエッチング技
術、反応性バイアススパッタリング技術等を用いても同
様の効果が期待できることは言うまでもない。被処理物
として、Ｓｉ基板を用いたが、化合物半導体や半導体以
外の材料を用いても構わない。

【００５９】また、図６は、加熱部が１ゾーンになって
いるフィルム状の加熱ヒーター５０４を第一の絶縁膜５
０１の中に埋め込んだときの電極構造を示す模式図であ
る。金属フイルム状の加熱ヒーター材５０４は、プラズ
マ励起のための金属板電極５０２（例えば、タングステ
ン（Ｗ））に第２の絶縁膜５０３（例えば、アルミナイ
トライド（ＡｌＮ））を挟んで接着させてある。この接
着方法は、まず、例えば、プラズマ溶射法を用いて、プ
ラズマ励起のための金属板電極５０２裏面に、第２の絶
縁膜５０３を数十ミクロンコートし、次に、続けて同じ
プラズマ溶射法で加熱ヒーターとなる金属（例えば、Ｎ
ｉＣｒ）を数十ミクロンから数百ミクロンの範囲で絶縁
膜５０３上にコートすることにより行っている。金属フ
ィルム状の加熱ヒーター材５０４を加熱するための引き
出し端子５０５ａ、５０５ｂ，５０５Ｃ，５０５ｄ，５
０５ｅは、中心に一つ、周辺に４つの端子が設けられて
おり、金属フィルムに電流が均一に流れ、被処理物の均
熱性を良くするように構成されている。

【００６０】また、図７は、加熱部が３つのゾーンに分
かれている金属フィルム状の加熱ヒーター材６０４、６
０６、６０８を第１の絶縁膜６０１の中に埋め込んだと
きの電極構造を示す模式図である。この電極の作り方
は、第５図で説明した場合と同じである。まず、プラズ
マ励起のための金属板電極６０２裏面に第２の絶縁膜６
０３を、例えば、プラズマ溶射法を用いてコートし、次
に、続けて同じ溶射法で加熱ヒーターとなる金属フィル
ム６０４、６０６、６０８を数十ミクロンから数百ミク
ロンの範囲で第２の絶縁膜６０３上にコートすることに
より行っている。金属フィルム状の加熱ヒーターを加熱
するための引き出し端子は、各ゾーン毎に２つの端子が
設けられている。加熱ヒーターが３つのゾーンに分かれ
ているのは、各ゾーン毎に加熱温度をコントロールし
て、被処理物の表面温度を均一にするためのものであ
る。

【００６１】なお、金属フィルム状の加熱ヒーターの材
質は、プラズマ励起のための金属板電極と異なる材質の
ものでも構わないが、望ましくは、全く同じもので、第
１の絶縁膜との熱膨張係数がほとんど同じか、あるいは
近いものであれば良い。また、被処理物の表面温度の均
熱性を良くするために、例えば、３つのゾーンの金属フ
ィルム状の加熱ヒーターの材質は、全く異なる材質でも
構わない。また、１つのゾーンの金属フィルム状の加熱
ヒーターの場合でも、被処理物の表面温度を均一にする
ために、金属フィルムの膜厚を中心部と、周辺部で異な
る膜厚になるようにするか、あるいは異なる膜質のもの
を重ねるようにしても構わない。

【００６２】また、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜の材質
は、埋設されている金属との熱膨張係数の差を考える
と、金属と同じ熱膨張係数をもつ絶縁膜が望ましいが、
異なる材質の絶縁膜でも構わない。また、第ｌの絶縁膜
の中に埋設されている電極は、金属板電極／第２の絶縁
膜／金属フィルム電極の３層構造のものを用いている
が、熱膨張係数の差を緩和する方法であれば、何層構造
でも構わない。なお、被処理物を加熱する目的で金属板
あるいは金属フィルムを第１の絶縁膜の中に埋設するよ
うにしてあるが、冷却する場合を考えたときは、金属板
の代わりに、金属板の中が中空になっており、冷媒材料
を流すことができるような金属板を埋め込む方法にして
も構わない。冷却する場合は、一定温度に保温するため
に冷却するための電極自身を加熱できるような機能も備
えていないといけないことは言うまでもない。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマ耐性、耐熱
性、熱応答性、均熱性、絶縁寿命が良好であり、かつｉ
ｎ−ｓｉｔｕチャンバークリーニングガスに対するセラ
ミックスの耐腐食性が良好であり、また、半導体ウェハ
基板裏面への堆積物の回り込みがなく、さらに静電チャ
ックの吸・脱着が高速でできるプラズマ処理装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す２周波励起方式のバイ
アススパッタリング装置の模式図である。

【図２】プラズマ励起のための金属板電極と被処理物を
加熱するためのヒーター材が絶縁物中に埋設されている
状態を示す模式図である。

【図３】プラズマ励起のための金属板電極が絶縁物の中
に埋設されている状態を示す模式図である。

【図４】被処理物に電圧を印加するための電極端子なら
びに保護リングを被処理物固定ステージに静電チャック
によって吸着させるための電極端子と電極の位置と構造
を示す模式図である。

【図５】保護リングにおける被処理物に電圧を印加する
電極と被処理物を搬送アームを介して保護リングに静電
チャックで吸着させるための電極の位置と構造を示す模
式図である。

【図６】加熱部が１ゾーンになっているフィルム状の加
熱ヒーターを第一の絶縁膜の中に埋め込んだときの電極
構造を示す模式図である。

【図７】加熱部が３つのゾーンに分かれている金属フィ
ルム状の加熱ヒーター材を第１の絶縁膜の中に埋め込ん
だときの電極構造を示す模式図である。

【図８】２周波励起のプラズマプロセス装置の模式図で
ある。

【符号の説明】

１０６直流電源、１０７直流電源、１１３被処理物、１１４，１２０保護リング、１１５，１２１被処理物固定ステージ、１１９被処理物、１２１被処理物固定ステージ、１２３ヒーター材、２０１絶縁物、２０２ヒーター材、２０３ａ端子、２０３ｂ端子、２０３ｃ端子、２０５絶縁膜、２０６金属板電極、２０８ａ電極端子、２０８ｂ電極端子、２０９ａ電極、２０９ｂ電極、２１０ａ電極端子、２１０ｂ電極端子、２１１ａ電極、２１１ｂ電極、２１３ａ電極、２１３ｂ電極、２１５保護リング、４０１減圧可能な容器、４０２真空排気装置、４０３ガス導入口、４０４高周波電源、４０５直流電源、４０９直流電源、４１０電極、４１１ターゲット、４１２上部電極、４１４永久磁石、４１６ウェハ基板、４１７下部電極、４１８フィラメント、４１９ヒーター（電極）、４２０ヒーター部、４２１真空排気口、５０１第一の絶縁膜、５０２金属板電極、５０３第２の絶縁膜、５０４加熱ヒーター材、５０５ａ，５０５ｂ，５０５Ｃ，５０５ｄ，５０５ｅ
引き出し端子、６０１第１の絶縁膜、６０２金属板電極、６０３第２の絶縁膜、６０４，６０６，６０８加熱ヒーター材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧可能な容器内に設けられた対向する
電極間に高周波電力を供給することにより、前記電極間
にプラズマを発生させ、前記電極間上の被処理物を前記
プラズマにより処理するように構成されたプラズマ処理
装置において、前記容器内に設けられた対向する電極に
被処理物を静電気によって固定するための吸着手段が設
けられており、かつ電極自身が加熱あるいは冷却可能な
温度制御手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項２】前記吸着手段は、前記容器内に設けられ
た対向する電極内に埋設された、少なくとも表面が絶縁
物で形成された対向する電極に被処理物を静電気力によ
って吸着されるよう構成されていることを特徴とする請
求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記温度制御手段は、前記容器内に設け
られた対向する電極内に埋設された、少なくとも吸着手
段が設けられている同一の絶縁物の中に埋設された加熱
あるいは冷却可能な抵抗体が温度制御されるよう構成さ
れていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処
理装置。
【請求項４】前記被処理物は、静電気によって吸着さ
れるように構成されている絶縁物で形成された補助リン
グ上に吸着された状態で搬送されることを特徴とする請
求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記補助リングは、前記容器内に設けら
れた対向する電極上に静電気力によって吸着されるよう
構成されていることを特徴とする請求項４に記載のプラ
ズマ処理装置。