JPH09199488A

JPH09199488A - 処理装置

Info

Publication number: JPH09199488A
Application number: JP9002181A
Authority: JP
Inventors: Minoru Noguchi; 稔野口; Toru Otsubo; 徹大坪; Susumu Aiuchi; 進相内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-01-09
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2017-01-09
Also published as: JP2951903B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置製造時の食刻、成膜、ベーキング処
理において、処理中の基体温度を効果的に制御できる処
理装置を提供する。【解決手段】内部を真空に排気する排気手段を備えた処
理室１２と、該処理室１２の内部に設置され上面が凸状
に形成された下部電極２９と、該下部電極２９の凸状の
上面に基板１９を密着させて保持する絶縁材３０と、前
記下部電極２９と前記基板１９との間に冷却用のガスを
供給する固体・液体だめ２７とを備え、該固体・液体だ
め２７より前記下部電極２９と前記基板１９との間に冷
却用のガスを供給した時に、前記下部電極２９と前記基
板１９との間隔が前記導入した冷却用のガスの平均自由
工程とほぼ同じかまたはそれ以下になるように前記下部
電極２９の上面の凸形状を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、半導体ウエハ
などの基板に、ドライエッチングあるいは、蒸着、スパ
ッタリングなどの処理を行う処理装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、半導体装置の製造工程におい
て、成膜工程として蒸着あるいはスパッタリングを行う
場合、粒径、反射率、比抵抗及び硬度が適切である良好
な膜質を得るためには、基板のベーキング中、及び、成
膜中の基板温度を適切に制御する必要がある。特に粒
径、反射率は、成膜中の基板の温度の影響が大きい。

【０００３】また、上記膜上に露光、現像によりレジス
トパターンを形成し、ドライエッチングで上記膜をレジ
ストパターン通りに食刻する際にも基板の温度の制御が
必要である。これは、基板の温度を制御することで、レ
ジストが耐熱性に乏しいことから生じるレジストの熱的
な損傷を防ぎ、忠実なパターンを食刻することが可能に
なるからである。

【０００４】しかし、基板の温度を、基板支持台と同じ
温度にするように制御しても、真空中では基板と支持台
との熱的接触が十分ではないため、真空中で基板の温度
を制御することは難しい。

【０００５】そこで、従来から基板と基板支持台との２
面間の熱的接触を大きくするため、基板を支持台に機械
的に押え付けるか、あるいは、静電的な力により基板を
支持台に吸着させるかなどの方法が提案されている。し
かし、このような方法によっても、基板と支持台の２面
間の熱的接触は、２面間に介在する気体分子によるとこ
ろが大きく、純粋な固体間での熱のやりとりは、上記の
押え付け圧力程度では気体分子による熱のやりとりに比
べて無視できる程度に小さいため、十分な効果は得られ
ていない。

【０００６】そこで、基板と支持台との間に気体分子を
介在させることにより、熱的接触を大きくしようとする
装置が、特開昭５６−１０３４４２に提案開示されてい
る。

【０００７】この装置における基板の温度制御部は、図
６に示すように、支持台５にスペーサ９を介して基板３
が接近配置され、数個のクリップ４により支持される。
支持台５には、冷却もしくは加熱機構をそなえた温度制
御装置６が設けられている。処理室１は、排気口２を通
して圧力が１Ｐａ程度になるよう排気される。

【０００８】同時に、気体導入口７よりアルゴンが導入
され、このガスは温度制御装置６と基板３の間を流れ、
矢印８に示すように処理室１内に流入する。この時、基
板３と温度制御装置６との空間１０内の圧力は、１０〜
１００Ｐａになるように制御される。

【０００９】従って、基板３は、温度制御装置６から流
出する１００Ｐａ程度の圧力を持つ介在ガスの熱伝達に
助けられ温度制御される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】たとえば、直径１００
ｍｍ、厚さ０．４５ｍｍのシリコン基板を温度制御する
場合、その時定数は２０秒程度にもなる。このような状
況で、印加電力５００Ｗのドライエッチングを行なう
と、温度制御装置から流出するガスとシリコン基板表面
との温度差は１３０°Ｃにもなり、レジストが熱的損傷
を受け、良好な処理を行うことができない。

【００１１】上記の事情に鑑み、本発明の目的は、半導
体装置製造時の食刻、成膜、ベーキング処理において、
処理中に基体温度を効果的に制御して、良好な処理が行
えるようにした処理装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、内部を真空に排気する排気手段
を備えた処理室と、該処理室の内部に設置され上面が凸
状に形成された電極手段と、該電極手段の凸状の上面に
基体を密着させて保持する保持手段と、前記電極手段と
前記基体との間に冷却用のガスを供給するガス供給手段
とを備え、該ガス供給手段より前記電極手段と前記基体
との間に冷却用のガスを供給した時に、前記電極と前記
基体との間隔が前記導入した冷却用のガスの平均自由工
程とほぼ同じかまたはそれ以下になるように前記電極手
段の上面の凸形状を形成した。

【００１３】基体と電極手段との温度差を小さくし、基
体の温度制御の応答速度を速くするためには、基体と電
極手段との間を単位時間、単位温度差当りに流れる熱量
（以下単位熱流量と言う。）を大きくする必要がある。
単位熱流量を大きくするには、圧力を上げ、同時に、２
面間の距離をその圧力下でのその気体の平均自由行程以
下にする必要がある。

【００１４】処理中の基体温度は次の式に従って経時変
化する。（１）Ｔｗ＝（１−ｅｘｐ（−ｋｔ／Ｃ））Ｑｉ／ｋ＋
Ｔｏここで、Ｔｗは基体温度、Ｃは基体の熱容量、ｋは単位
熱流量、Ｑｉは処理時に単位時間当り基体に与えられる
一定熱量、Ｔｏは電極手段の温度、ｔは時間であり、ｔ
＝０においてＴｗ＝Ｔｏとしている。

【００１５】また、電極手段の温度が定常値Ｔｏにあ
り、基体の初期温度Ｔｗｏ≠Ｔｏの時は次の式に従う。（２）Ｔｗ＝（Ｔｗｏ−Ｔｏ）ｅｘｐ（−ｋｔ／Ｃ）＋
Ｔｏ以上、いずれの場合も、基体の温度制御の応答速度は、
基体の熱容量Ｃと、２面間の単位熱流量ｋにのみ依存す
る。Ｃの値は基体固有の値で、たとえば、直径１００ｍ
ｍ、厚さ０．４５ｍｍのシリコン基板では約６．２Ｊ・
Ｋ~¹である。従って、基体と電極手段の温度差を小さく
し、基体の温度制御の応答速度を速くするには、単位熱
流量を大きくする必要がある。

【００１６】ところで、２面間に窒素を介在させ、その
圧力を変えた時、単位熱流量がどう変化するかを示す実
測値を図５に示す。なお、基体はシリコンで、表面を薄
い酸化シリコンで覆い、その支持材としては、研摩した
アルミニウムを用い、表面を十分に洗浄して、２面間に
は、直径１００ｍｍ当り１ｋｇの荷重をかけた。

【００１７】曲線が、原点を通る直線に近く、この条件
下では純粋に固体間だけの熱伝達は無視できることが証
明される。すなわち、固体２面間に力学的な接触があっ
ても、熱的な接触の大部分は２面間に介在する気体によ
るものである。また、介在気体の圧力を従来装置におけ
る値１００Ｐａより大きくすると単位熱流量が増すこと
がわかる。

【００１８】以上の実測値は、以下の理論式に従うもの
である。すなわち、２面間を単位時間当りに通過する熱
量「ｄＱ／ｄｔ」は次の式に従う。（３）ｄＱ／ｄｔ＝ｋ₁ （Ｔｗ−Ｔｏ）ｐ（ｅ≪λ）（４）ｄＱ／ｄｔ＝ｋ₂ （Ｔｗ−Ｔｏ）ｅ（ｅ≫λ）ここで、ｋ₁ 、ｋ₂ は定数、Ｔｗ、Ｔｏはそれぞれ基
体、支持材の温度、ｅは２面間の距離、ｐは介在気体の
圧力、λはその圧力下での平均自由行程である。この式
は、圧力が低く平均自由行程が十分長い条件下では、
「ｄＱ／ｄｔ」はｐに比例し、圧力が高く平均自由行程
が十分短くなると「ｄＱ／ｄｔ」はｅに比例することを
示している。

【００１９】従って、２面間に介在する気体の圧力を上
げ、かつ、２面間の距離をその圧力下での平均自由行程
程度以下にする機構を設けることによって、単位熱流量
は大きくできる。

【００２０】ところで、従来の装置においては、ｐは１
００Ｐａ程度であるからＡｒの平均自由行程λは約５０
μｍである。したがって、間隔は５０μｍ程度まで小さ
くすることが望ましいが、図６に示すように、１００Ｐ
ａの圧力差により基板３の中央部が符号１１のごとく膨
らむ。例えば、直径１００ｍｍ厚さ０．４５ｍｍのシリ
コンウエハにおいては、１００Ｐａの圧力差により中央
部の膨らみ量は１５０μｍに達する。したがって、平均
自由行程である５０μｍを越え、さらに圧力を上げても
単位熱流量を増すことはできない。

【００２１】

【実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基づいて
説明する。まず、基板を例にその温度制御の原理を図１
に基づいて説明する。基板１９の支持台１７と、基板１
９を保持するための保持手段２３と、基板１９と支持台
１７とで形成される空間２０に気体を導入するための気
体導入手段５２を有する基板温度制御装置において、支
持台１７と基板１９との距離を、導入した気体の圧力下
におけるその気体の平均自由行程以下にする機構を設
け、これにより、半導体装置製造時の食刻処理等におい
て、処理中の基板温度を効果的に制御しうる。

【００２２】このような原理に基づく装置は、基本的に
は、処理室１２、表面が研磨された凸面である下部電極
１７及び上部電極１６から構成される平行平板型のドラ
イエッチング装置である。本実施例においては下部電極
１７が支持台となる。

【００２３】処理室１２は、排気口１３を介して真空排
気系（図示せず）に接続されている。処理室１２にはガ
ス導入口２４を介して反応ガスが導入される。また、処
理室１２には適宜の位置に基板２０を出し入れするため
の取入取出口１４が設けられている。

【００２４】上部電極１６と下部電極１７との間には高
周波電源２５が接続されている。下部電極１７には、液
体熱媒体が流れる流路４８、ポンプ４２、液体熱媒体の
温度制御装置４３が設けられている。また、オリフィス
２１、バルブ１５を介して熱伝達用ガスのガスだめ２６
が設けられている。ガスだめ２６には、流量調節バルブ
４５を介してガスボンベ４４が、また流量調節バルブ４
６を介してロータリーポンプ４７が接続されている。

【００２５】基板の保持手段２３はセラミックなどの絶
縁材で作成されていて、バネ３９を介してボールネジ４
０及びモータ４１に接続されている。基板１９と下部電
極１７との間にはＯリング１８が設けられていて、Ｏリ
ング１８は、基板１９と下部電極とで形成される空間２
０を処理室１２から封止している。

【００２６】以上の構成において、下部電極１７は、適
切な一定温度に保たれた液体熱媒体が循環されることに
より、一定温度に保たれる。液体熱媒体としては、２０
℃に保たれた水を用いるが、目的に応じ、温度制御され
た水以外の流体を用いても良い。また、下部電極１７
は、電気抵抗を用いて温度制御しても良い。

【００２７】基板１９は、モータ４１とボールネジ４０
とによって昇降する基板保持手段２３によって下部電極
１７に押えつけられる。この時、バネ３９は、基板１９
を常に一定の加重で押える役目、すなわち機械的接触を
生じさせる機構をなす。

【００２８】また、ガスだめ２６は、流量調節バルブ４
５，４６、ガスボンベ４４及びロータリーポンプ４７に
より常に一定の圧力に保たれ、熱伝達用気体で満たされ
ている。空間２０には、ガスだめ２６からオリフィス２
１を介して熱伝達用ガスが導入される。すなわち、気体
導入手段はガスだめ２６と気体導入口となるオリフィス
２１とからなっている。

【００２９】次に、前記装置における処理中の基板温度
制御がどのように行なわれているか、熱伝達用ガスとし
てヘリウムを用い、基板が直径１００ｍｍ厚さ０．４５
ｍｍのシリコン基板の場合を例にして説明する。

【００３０】基板１９が載置された後、従来例より１桁
大きい７００Ｐａ程度の圧力のガスだめ２６からヘリウ
ムガスが導入される。７００Ｐａの圧力を持つガスが導
入された時、基板１９は中央が、約８００μｍ凸状にふ
くらむ。また、基板中心から半径方向にｒの距離にある
点の変化量ｗは、次の式に従う。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここで、Ｅ、νはそれぞれシリコンのヤン
グ率及びポアソン比、ｈ、ａはそれぞれ基板１９の厚さ
及び半径、ｐはガスの圧力である。

【００３３】そこで、下部電極１７の凸面を予め上記の
式に従う形の曲面、あるいは、それ以上ふくらんだ曲面
に加工しておく。この時、基板１９は基板支持具２３に
より押えられているため凸面に沿って変形し応力を持
つ。

【００３４】この時、ガス圧によって基板１９が受ける
力は、基板１９が持っている応力と等しいかまたは小さ
いため、基板１９はガス圧によりすでに持っているひず
み以上のひずみを生じることがなく下部電極１７に沿っ
て機械的に接触したままである。また、下部電極１７の
表面は、表面粗さ６−Ｓ以下に研磨されている。そのた
め、２面間の距離は全面にわたって７００Ｐａにおける
ヘリウムの平均自由行程３０μｍより十分小さく保たれ
る。

【００３５】ここで、純粋に固体間の熱的接触は無視で
きることを考えると、熱的接触は全面にわたって均一で
ある。従って、十分な熱的接触が実現し、単位熱流量を
十分大きくできる。

【００３６】また、前記装置においては、空間２０に熱
伝達用のガスを導入するため導入手段として、オリフィ
ス２１を設けている。このオリフィス２１は、ヘリウム
に対するコンダクタンスが約１×１０~⁶ｍ³ ／ｓｅｃに
なるように、直径を約４０μｍにしてある。基板１７が
載置されていない場合に、ガスだめ２６からこのオリフ
ィスを通して圧力差７００Ｐａの処理室１２に流出する
ガス量は、７×１０~⁴Ｐａ・ｍ³ ／ｓｅｃ程度である。
これは、反応ガス導入口２４から導入される反応ガス導
入量８×１０~²Ｐａ・ｍ ³／ｓｅｃに対し十分小さい。
したがって、空間２０と処理室１２との封止に洩れが発
生しても、処理に対し悪影響を及ぼすことがないため、
本実施例による温度制御機構の信頼性が向上することに
なる。また、このオリフィスをつけることで、Ｏリング
１８による封止をなくすことも可能であり、同時に、基
板１９の搬入、搬出を処理室１２の真空を破壊しないで
行う場合でもバルブ１５が不必要になる。

【００３７】ここで、基板１９が載置された後、空間２
０がガスだめ２６と同じ圧力になるまでに要する時間が
十分短い必要がある。空間２０の体積をＶ、オリフィス
のコンダクタンスをＣ、ガスだめ２６内の圧力をＰｏと
した時、空間２０の圧力ｐは次の式に従う。

【００３８】（６）ｐ＝Ｐｏ（１−ｅｘｐ（−Ｃｔ／Ｖ））ここで、空間２０は、大きくても厚さ１００μｍの円筒
であるため、Ｖ＝７．８×１０~⁷ｍ³ であるからｐの応
答の時定数は約１ｓｅｃとなり、十分早い応答となる。

【００３９】前記の装置構成において、２００Ｗ〜５０
０Ｗの高周波電力を印加した時にプラズマから受ける熱
量によって昇温する基板１９の昇温曲線を図２に示す。
ここで、応答速度の時定数は約３ｓｅｃとなり十分良好
な制御特性を示す。また、下部電極１７との温度差もそ
れぞれ８°Ｃ、２０°Ｃにおさえられている。

【００４０】また、レジストの耐熱温度が約１２０°Ｃ
であるから、この装置では、付加高周波電力を２．５Ｋ
Ｗまで大きくすることが可能ということになる。

【００４１】本発明の実施例を図３に基づいて説明す
る。この実施例においては、特公昭５７−４４７４７号
公報に開示された静電気力による吸引を利用して基板１
９の支持を行っている点、及び、熱伝達用のガスに、液
体固体だめ２７内の液体あるいは固体３７の蒸気を利用
している。

【００４２】静電気による吸引力を利用した装置は、互
いに絶縁された複数（図３においては２つ）の電極３
３、３６間に直流電源３８から極性の異なる直流電圧を
印加することで、基板１９と２つの電極３３、３６との
間に閉回路が構成され、プラズマを形成することなく基
板１９を静電吸着することができる。従って、プラズマ
を使用しない基板１９のベーキング工程においても、基
板１９を静電吸着することができる。この静電気による
吸引力のために、基板１９は全面にわたって約１０ｇｃ
ｍ~²の力で吸引され、全面にわたって絶縁材３０との間
に機械的な接触が生じる。

【００４３】この時、基板１９と下部電極２９上の絶縁
材３０との間にできた空間２０と処理室１２とを封止す
るためのＯリング１８が設けられていること、及び、空
間２０への気体の導入手段としてオリフィス２１が設け
られている。本実施の形態では絶縁材３０が支持台とな
る。

【００４４】ここで、熱伝達用ガスを発生する気体ある
いは固体の蒸気圧が、温度制御された下部電極２９と等
温の時、７００Ｐａ程度の圧になるよう液体あるいは固
体を選ぶ。

【００４５】本実施の形態においては、熱伝達用のガス
として、１、１、２、２−テトラクロルエタンを用いて
いるため、常温で７００Ｐａ程度になる。ここで、使用
する液体・固体は１、１、２、２−テトラクロルエタン
に限らず他の蒸気圧を持った液体・固体であっても良
い。

【００４６】この時の平均自由行程は３μｍとなるの
で、絶縁物３０の表面は０．８Ｓ以下に研磨しておく必
要がある。また、絶縁材３０に軟質の有機化合物を用
い、基板１９の下面の形状に沿って柔軟に変形させるこ
とによっても、２面間を平均自由行程より小さくでき
る。

【００４７】この時、機械的には接触している２面間に
は、気化したガスが介在し、２面間の距離はこの時のガ
スの平均自由行程である３μｍよりも十分小さくなる。
その結果、２面間の熱的接触は十分大きくなり、単位熱
流量も大きくなる。

【００４８】また、空間２０内を１ｓｅｃ程度で７００
Ｐａにするために、オリフィス２１の１、１、２、２−
テトラクロルエタンに対するコンダクタンスが１×１０
~⁶ｍ³ ／ｓｅｃになるよう直径９０μｍにしてある。

【００４９】以上の装置における基板１９の昇温曲線を
図４に示す。３００Ｗの高周波電力を付加してドライエ
ッチングを行った場合の例である。時定数は５ｓｅｃと
なり十分な値となっている。またこの装置においては熱
伝達用のガスのガス流およびガス圧の制御をする必要が
なく、構造が簡単になるという利点がある。

【００５０】また、基板１９と支持台との距離を小さく
するための装置として特開昭５６−１３１９３０号公報
に開示された、ウエハ温度コントロール装置を用いても
同様の効果が期待できる。

【００５１】また、支持台もしくは支持台表面を軟質の
有機化合物で構成することは、２面間の距離を小さくす
る上で大きな効果がある。

【００５２】以上の２つの例は、いずれも本発明をドラ
イエッチング装置に適用した例であるが、スパッタリン
グ、蒸着などの成膜装置あるいは、基板のベーキング装
置に適用しても同等の効果が期待でき、その他の電極手
段や基板の温度制御を必要とする真空装置にも適用でき
ることは容易に類推できる。

【００５３】以上の実施の形態によれば、基板と支持台
との間に介在するガス圧を十分上げた上で、２面間の距
離を、そのガス圧でのガスの平均自由行程より小さくで
きるので、２面間の単位時間、単位面積、単位温度差当
りの熱流量を、従来の５０Ｗ・Ｋ~¹・ｍ~²から２５０Ｗ
・Ｋ~¹・ｍ~²に向上することができる。その結果、処理
時の基板と支持台との温度差と、基板温度制御の時定数
を、それぞれ、従来の値の５分の１程度に小さくするこ
とができる。

【００５４】なお当然のことではあるが本発明範囲は以
上の実施例に限定されるものではない。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、半導体装置の食刻，成
膜，ベーキング処理等において、処理中の基体温度を効
果的に制御することができ、良好な処理を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による基板処理装置の縦断面図

【図２】図１に示す基板処理装置における基板の昇温曲
線を示した特性図

【図３】本発明による基板処理装置の他の形態を示す縦
断面図

【図４】図３に示す基板処理装置における基板の昇温曲
線を示した特性図

【図５】２面間を流れる熱量と介在気体圧力の関係を示
した特性図

【図６】従来の基板温度制御装置の縦断面図

【符号の説明】

１…処理室、３…基板、４…クリップ、５…支持台、６
…温度制御装置、７…気体導入口、８…流れ、９…スペ
ーサ、１０…空間、１２…処理室、１７…支持台（下部
電極）、１８…Ｏリング、１９…基板、２０…空間、２
１…気体導入口（オリフィス）２３…保持手段、２６…
ガスだめ、２７…液体固体だめ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/68 Ｈ０１Ｌ 21/68 ＲＨ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部を真空に排気する排気手段を備えた処
理室と、該処理室の内部に設置され上面が凸状に形成さ
れた電極手段と、該電極手段の凸状の上面に基体を密着
させて保持する保持手段と、前記電極手段と前記基体と
の間に冷却用のガスを供給するガス供給手段とを備え、
該ガス供給手段より前記電極手段と前記基体との間に冷
却用のガスを供給した時に、前記電極と前記基体との間
隔が前記導入した冷却用のガスの平均自由工程とほぼ同
じかまたはそれ以下になるように前記電極手段の上面の
凸形状を形成したことを特徴とする処理装置。
【請求項２】前記ガス供給手段より前記電極と前記基体
との間に供給される冷却用のガスの圧力が、１００Ｐａ
よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の処理装
置。
【請求項３】前記ガス供給手段より前記電極と前記基体
との間に供給された冷却用のガスのうち、前記処理室内
に漏出したガスを、前記排気手段で排気することを特徴
とする請求項１に記載の処理装置。