JPH1170U - 半導体ウエーハの緊締装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエーハをその処理中支持台表面上に
整列して保持するウエーハ緊締装置を提供する。 【解決手段】 ウエーハ緊締装置は、半導体ウエーハの
幾何学形状に一致する中央開口を有する緊締リングを含
んでいる。前記開口の周りに位置する張出し部材が対応
半導体ウエーハとプラズマ反応装置の電極上に置かれた
時に係合する。緊締リングが第２の電極を保持するハウ
ジングに弾性的に取付けられる。緊締リングは２つの電
極の間の空間が所望の隙間幅に調節されるにつれてウエ
ーハに当接するよう自動的に係合される。下側電極上の
立上り環状障壁がウエーハに外接しまた緊締リングの係
合表面と係合し緊締具の整列を強化改善する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は一般に半導体処理装置に関する。さらに詳細には本考案は、プラズマ エッチングのような処理作用中に１つの表面上に半導体ウエーハを保持するため の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術と考案が解決しようとする課題】

プラズマエッチング、イオン注入、真空メッキその他のような半導体処理作用 は、しばしば、個々の半導体ウエーハが平らな又は頂部のある表面上に保持され このウエーハと表面との間に均一かつ密接な接触が保たれるようにすることが要 求される。（例えば、プラズマエッチングは、個々のウエーハが処理容器内部に 置かれた電極の露出表面上に取付けられることを必要とする。）

【０００３】 第２の電極をウエーハの露出表面の近くに配置し無線周波数エネルギーをこれ ら電極に加えることにより、反応プラズマが、周知の原理によりその表面をエッ チングする導入ガスから生じる。指向性、選択性、エッチング率その他を含む均 質なエッチング特性を達成しかつ保持するためには、半導体ウエーハ付近の電気 的及び熱的環境が精密に制御されることが必要である。

【０００４】 特に、半導体が緊密かつ均一に隣接する電極表面に対し所定位置に保持され、 ウエーハの均一な冷却が得られまたこの対の電極によって生じる電界の変動が最 小となるようにすることが必要である。ウエーハの熱的な面における変動又は電 界の特性における変動は不均一のエッチングをもたらしこれが生産される集積回 路の品質と産出量を減少させるものとなる。個々の半導体ウエーハと隣接する表 面との間の均一の接触を得るため、種々の緊締機構がプラズマエッチング装置と 他の半導体処理装置に用いるために提案されてきた。

【０００５】 しかしこのような今までの緊締機構は半導体ウエーハと隣接表面との間の均一 の接触を低下させる結果となるような多くの欠点を招来するものであった。例え ば、この緊締機構は半導体ウエーハの上にこの緊締要素を精密に位置ぎめするこ とは殆どできない。このウエーハと緊締機構とに生じる不整列のためにしばしば ウエーハの周りの接触圧力が変動する。この変動圧力はウエーハからの熱の移動 の速度に影響を与えウエーハを横切って望ましくない温度勾配を生じる。したが って、非常に小さな不整列であってもウエーハの不均一のエッチングを実質的に 生じることになる。

【０００６】 不整列に関連する問題に加え、これまでの緊締機構は、電極にあまりにも近く 配置された構成要素を含むことが多くそのため不均一の電界の発生を直接もたら すものとなる。さらに、この緊締機構はしばしば半導体ウエーハの周縁領域の実 質的な部分を覆い、そのため各ウエーハからの製品の生産量を減少させる。例え ば、この緊締機構は半導体ウエーハ上に見られる縁平坦部によって生じた周縁の 隙間を覆うのに十分な距離を半径方向内側に延出するような大きさに作られるこ とが多い。このような余分の突出部はエッチング作用中被覆されるウエーハの面 積を著しく増大させる。

【０００７】 さらに、従来の緊締機構は一般に可変間隙プラズマエッチング装置と共に用い るには不適当でありまた比較的大きな量の粒子を生じることが多かった。このよ うな粒子はこれが反応室の中に入った時製造工程に不利な影響を及ぼすことがあ る。 したがって上記の問題を解消するウエーハ緊締機構を提供することが望まれる 。

【０００８】 米国特許第４，３４０，４６２号は、平行で間隔をあけて配された電極を有し これら電極が、相互に対して移動可能でこれら電極の間の空間の調節ができるよ うにしている別々のハウジング上に取付けられている、プラズマ反応装置が記載 されている。ウエーハを下側電極上に所定位置に保持するための緊締機構は何も 提案されていない。米国特許第４，２８２，９２４号はイオン注入装置を開示し ている。

【０００９】 半導体ウエーハはそれ自体に取付けられた緊締リングによってプラテン上に保 持される。米国特許第４，５０８，１６１号はドーム形のプラテン上に半導体ウ エーハを保持する方法が記載されており、ウエーハはこのプラテンの周りに保持 され熱伝導性ガスがウエーハとプラテンとの間の隙間の空間に導入されるもので ある。米国特許第４，６０３，４６６号はウエーハが円形緊締具によって保持さ れる半導体ウエーハを保持するためのドーム形のプラテンを記載している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

本考案によれば、個々の半導体ウエーハは隣接する表面、典型的にはプラズマ エッチング反応装置の電極に対し、この表面に対して往復動可能なリング緊締具 により保持される。本考案の第１の態様においては、起立した環状障壁がこの表 面上に形成され、半導体ウエーハを受け入れるための空洞を区画形成している。 このリング緊締具は立上り環状障壁と係合可能な第１の表面と半導体ウエーハを 受け入れ空洞内部に保持可能な第２の表面とを含んでいる。リング緊締具上の第 １の表面と起立環状障壁との間の接触はリング緊締具の正しい整列を保証しそれ により所望の均一な圧力がリング緊締具の第２の表面により何時も加えられるよ うにする。通常は、このリング緊締具は往復運動機構に弾性的に取付けられ正し い整列を保証するよう十分な運動の自由が与えられるようにする。さらに、リン グ緊締具の第２の表面は処理される特定の半導体ウエーハの幾何学形状に一致す る形状に作られ処理作用中のウエーハの被覆を最小にするようになっている。

【００１１】 本考案の第２の態様においては、半導体反応装置は第１のハウジングと第２の ハウジングとを含む可変間隙プラズマ反応装置である。処理される半導体ウエー ハを支持することのできる１つの電極が第１のハウジング内に取付けられ、そし て第２の電極が第２のハウジング内に取付けられる。この２つのハウジングは相 互に対し精密に往復動され電極間に変化できる隙間をもたらすようにする。リン グ緊締具は第２のハウジング上に弾性的に取付けられ、第２のハウジングが所望 の電極間隙を得るため第１のハウジングに向かって動かされるときに半導体ウエ ーハの自動緊締が得られるようにする。好ましくは、本考案のこの２つの態様は 以下に記載される特定の実施態様におけるように組合わされる。

【００１２】

【考案の効果】

本考案の装置は従来のウエーハ緊締装置と比較した時に多数の利点を有してい る。特に、本考案はウエーハの周縁の周りに高度に均一な緊締圧力をもたらしそ の結果下にある電極表面と均一な熱接触が得られエッチングの均一性を向上させ るものとなる。緊締プレートの同じ構造はまた処理中のウエーハの被覆を最小に し（したがって装置の生産量を最大とする）ウエーハと高動力のもとにある反応 装置との間に望ましからぬ電弧を形成するのを阻止する助けをする。本考案の構 造はまた可変間隙プラズマ反応装置と両立することができ、反応装置容器内の反 応ガスの流れに最小の衝撃を与えるようになっている。本考案はさらに、使用中 微粒子の発生を低下させ（可動部分間の接触面積を最小にし生じた微粒子の全て を封じ込めることにより）、リング緊締具が幅広であることにより後部の冷却ガ スの漏洩の全ての影響を最小にする。このリング緊締具はウエーハに対して自己 整列でき、大概の従来装置で必要とされていた精密の機械的公差を減少しこのリ ング緊締具によりウエーハ被覆の減少をもたらす。

【００１３】

【考案の実施の形態】

図１を参照すると、プラズマエッチング反応装置１０は第１のハウジング１２ と第２のハウジング１４とを含んでいる。第１のハウジング１２は円筒壁１６と この円筒体１６の下方開口端を横切って延在する基板１８とを含んでいる。同様 に第２のハウジング１４は円筒体２０とこの円筒体２０の開口下方端を横切って 延在する電極組立体２２とを含んでいる。

【００１４】 第２のハウジング１４は第１のハウジング１２の円筒体１６の上方端部内部に 往復動自在に取付けられている。Ｏリング２４が、電極組立体２２の下側表面と 基板１８上に取付けられた第１の電極３２の上側表面との間に区画形成された反 応室３０内の真空を保持するのを助けるよう設けられる。第１のハウジング１２ に対し第２のハウジング１４を往復動させる機構は調節ねじ３４によって略図的 に示されている。本考案のプラズマ反応装置１０における電極間の間隙を調節す るための特別の機構は特許文献中に記載されている。例えばその全体の開示がこ こに参照例として合体されている米国特許第４，３４０，４６２号に記載されて いる。

【００１５】 通常は、テフロン（登録商標）のような不活性の低電気伝導性材料で形成され た遮蔽リング３６が第２のハウジング１４の下方端部の周りに設けられている。 この遮蔽リング３６の下方端部はテーパ部又は切込み部３８を含みこの部分が第 １のハウジング１２の円筒体１６の内側表面上に形成された肩部４０のための間 隙を与えるようにしている。この遮蔽リングは、反応室３０内に発生するプラズ マを封じ込めるのを助け円筒壁１６とで電弧を形成するのを阻止するために設け られる。

【００１６】 さて図１と図３を参照すると、第１の電極３２は立上り台座部分４４を含み、 この台座部分４４は一般に、処理されるべき半導体ウエーハの直径より僅かに大 きい円形周縁、典型的にはウエーハの直径より約０．１５から１．０mm大きい範 囲の直径を有する円形周縁を有している。この立上り台座部分４４の上側表面は 平坦（図示のように）か又は山のある形状とすることができ、その上に半導体ウ エーハを受けるようになっている。

【００１７】 プラズマエッチング及びその他における半導体ウエーハのための山のある形状 の支持表面の使用はその全体の開示が参照例としてここに合体されている米国特 許第４，５０８，１６１号及び第４，６０３，４６６号に記載されている。電極 ３２は熱的及び電気的伝導性材料、典型的にはアルミニウム又はアルミニウム合 金で構成される。

【００１８】 立上り台座部分４４は立上り環状障壁４６によってその周縁の周りが囲まれて いる。立上り障壁４６の上端は処理されるべき半導体ウエーハＷ（図３）の厚さ より小さい距離ｄだけ電極３２の上側表面の上方に延出している。典型的には、 この距離ｄは約０．１５から０．６mmの範囲、さらに典型的には約０．２から０ ．５mmの範囲である。したがって、立上り台座部分４４を区画形成する立上り環 状障壁４６は処理すべき半導体ウエーハＷよりほんの僅かに大きい直径とこの半 導体ウエーハより僅かに小さい深さとを有するほぼ円形の空洞５０を区画形成す る。

【００１９】 通常は、ウエーハが取付けられた時のウエーハと第１の電極３２との間に形成 される隙間部分の中に、水素又はヘリウムのような冷却ガスを供給するための装 置６０が設けられる。ガス供給装置６０はポート６４により充満空間６８に連結 されている人口と出口とを含んでいる。そしてこの充満空間はガスを電極３２の 上側表面に供給する。このガスは電極３２の周縁から出て電極を取巻く充満空間 ７０を通って吸引される。以下にさらに詳細に記載されるように、本考案の緊締 機構はウエーハＷの周縁の周りを出るガスが反応室３０内で行われる処理に不利 な影響を与えないことを保証する助けをする。

【００２０】 立上り環状障壁４６は、ウエーハの周りの電界を変える作用をする電極焦点リ ング７２によって区画されている。この焦点リングの材料、形成、及び構造はエ ッチング工程によって要求されるようにプラズマを焦点に集めるか又は拡散する ために変えることができる。

【００２１】 図１，３及び５を参照すると、緊締リング８０は、このリング８０が下降され た時（図１に示すように）ウエーハＷの周縁と係合する下側表面８４を有する周 縁突出部８２を含んでいる。この緊締リング８０はこのリング８０の第１の開口 の下端の周りに円錐形部分を形成するよう傾斜された第２の表面８６を含んでい る。この表面８６は立上り環状障壁４６の外側周縁の周りに位置する面取りされ た表面８８と係合する。円錐形表面８６と面取り表面８８との間の係合は電極３ ２上のウエーハ保持空洞５０に対する緊締リング８０の正しい整列を保証するの を助ける。

【００２２】 緊締リング８０は、硬い材料からなり中央開口９０を有するほぼ円形のプレー トである。この材料は、エッチングの要求により、電気伝導性又は被覆されたア ルミニウムのような非伝導性材料とすることができる。中央開口９０は任意の周 縁幾何学形状とすることができるが通常、普通の半導体ウエーハの形状と一致し ウエーハの特定の結晶配向と同一の任意の平坦縁部分を含んでいる。図５に示す ように、中央開口９０は単一の平坦縁９２を含んでいる。半導体ウエーハはウエ ーハの周縁に沿って周知の回転位置に配置される１つ又は２つの平坦縁を含んで いる。中央開口９０の周縁は、対応半導体ウエーハの周縁寸法より僅かに小さく 、典型的には半導体ウェーハＷの最外部０．１５cmの近くの上方に位置する突出 表面８４を有する。

【００２３】 リング緊締具８０の幅は、空洞５０内のウエーハの周縁から遮蔽リング３６付 近に延在するのに十分の幅である。したがって、ウエーハの周縁の下側から漏れ る全ての冷却ガスが上方に流れてからになった反応室３０の中に入るのが大体阻 止される。室３０の中に入るこのような漏れは有害であり、このリング８０の構 造は特に有利である。

【００２４】 図４を参照すると、平坦部分９２の領域の中央開口９０に近接して位置する突 出部８２は、円形周縁の周りに位置する突出部８２（図３に示すような）よりも さらに実質的に延出している。これはもちろん、突出部８２の下側表面８４がウ エーハＷの平坦縁にまで延出してウエーハの全縁部領域の周りに所望の均一の緊 締状態が得られるようにすることが必要である。立上り環状障壁４６によって区 画形成された空洞５０が円形であるので、障壁４６とウエーハＷの平坦縁を保持 する実質的な間隙９４が存在する。しかしこの間隙９４はプラズマ反応装置１０ の処理特性に不利な作用をすることが見られない。

【００２５】 図１と図２を参照すると、第２のハウジング１４の下方端部上へのリング緊締 具８０の取付けは以下に記載される。リング緊締具８０は複数（この特定実施態 様では６個）のばね組立体１００によって第２のハウジング１４上に弾性的に又 はそのまま取付けられる。ばね組立体１００は第２のハウジング１４の下端の周 りに形成された肩部１０２の中に取付けられる。肩部１０２の対抗穴１０４はば ね１０８の一端を受ける止めくぎ１０６（別体のプラスチック保持片とすること ができる）を含んでいる。Ｋel−Ｆ（登録商標）又はテフロン（登録商標）のよ うな滑らかな材料で形成されたシリンダ１１０が透孔１０４の下端に取付けられ ばね組立体保持具１１２により所定位置に保持される。

【００２６】 プランジャ１１４がシリンダ１１０内部に往復動自在に取り付けられ、シリン ダ１１０の内側表面に対し摺動する環状リング１１６を含んでいる。止めくぎ１ １８がプランジャ１１４の上端に形成さればね１０８の他端を受ける。このよう にしてプランジャ１１４は第２のハウジング１４からほぼ下方に向かう方向にば ね付勢される。保持リング１２０はシリンダ１１０の下端に配置されプランジャ １１４と整列するよう作用する。プランジャ１１４を保持する緊締リング８０の 穴は、緊縮リングがプランジャに対し水平に動くことができしかもワッシャ１３ ２により依然として保持されるように大きくなっている。

【００２７】 したがって、限られた水平運動とばね１０８によって可能となる垂直運動との 両運動の結果として、緊締リング８０は、この装置の他の場所で生じるかも知れ ないいかなる不整列に関係なく、第１の電極３２に立上り環状障壁４６を正確に 整列することができる。緊締リング８０は保持ナット１３０と対のワッシャ１３ ２とによりプランジャ１１４の下端の所定位置に保持される。

【００２８】 作動に際し、個々の半導体ウエーハＷはウエーハ移送機構（図示しない）によ って反応室３０（第１の電極３２と電極組立体２２との間）の中に供給される。 ウエーハの位置と回転による配向とは正確に制御されそれによりウエーハが空洞 ５０の内部に正しく受け入れられその縁平坦部が正しく位置ぎめされて緊締具８ ０が適当にウエーハを緊締することができるようにすることが必要である。ウエ ーハを反応装置１０の正しい位置に移送するための適当な装置は、１９８７年５ 月１１日に出願された“円形被加工物の配置及び位置ぎめ方法”の名称の、その 全体の開示が参考例としてここに合体されている米国特許出願連続番号０４８， １９４号に詳細に記載されている。

【００２９】 ウエーハがこの移送装置により適当位置に運ばれると、道路１３３内の複数の 支持くぎ（図示しない）がウエーハを支持装置の移送アームから持ち上げるため 上昇する。この移送アームは次に引っ込められ支持くぎが下降されそれにより半 導体ウエーハＷが空洞５０に正しく配置される。

【００３０】 その後、上側ハウジング１４が、位置ぎめねじ３４によって、電極組立体２２ の下側表面とウエーハＷの上側表面との間に所望の間隙が形成されるまで下降さ れる。緊締リング８０がばね組立体１００上に位置ぎめされそれによりリングの 第２の表面８４が第２のハウジング１４が完全に下降される前にウエーハに係合 する。したがって、ばね要素１０８が圧縮され、緊締リング８０の周縁の周りに 均一の力を加える。緊締リングは、リング８０の第１の表面８６と立上り環状障 壁４６の面取り表面８８との相互作用の結果として正しく整列され、ウエーハＷ の周縁の周りに加えられた圧力は実質的に均一となる。第２のハウジング１４が 所望の位置に下降されると、プラズマエッチング反応が開始される。

【００３１】 上記の考案は理解を明瞭にするため図示の実例によって詳細に記載されてきた が、一定の変形及び変更が実用新案登録請求の範囲内で実施できることは明らか である。

【００３２】 本考案の実施態様としてさらに以下の特徴が挙げられる。 （１）保持表面上の立上り台座部分を含み、立上り環状障壁がこの立上り台座 部分を区画している。 （２）立上り環状障壁の外側周縁リムが面取り周縁を含み、リング緊締具の第 １の表面が同様に面取りされてリング緊締具と保持表面とが共に動かされるに従 って障壁と係合しかつ整列するようになっている。 （３）立上り環状障壁が円形空洞を区画形成しリング緊締具の第２の表面が半 導体ウエーハの不規則周縁に一致する形状に作られ、保持表面に対しリング緊締 具を往復動させる手段が、ハウジングと、このハウジングを保持表面に対し往復 動させる手段と、リング緊締をハウジングに弾性的に取付ける手段とを含み、保 持表面が電極であり保持表面に対しリング緊締具を往復動させる手段がハウジン グに取付けられた第２の電極を含み、リング緊締具をハウジングに弾性的に取付 ける手段が、リング緊締具の外側周縁の周りに固定された複数のばね組立体を含 み、個々のばね組立体が滑らかなシリンダと、このシリンダ内に往復動可能に取 付けられたプランジャ要素と、ハウジングとプランジャ要素との間に延在するば ね要素とを具備している。

【００３３】 （４）第１のハウジングが円筒状本体を含み第２のハウジングが第１のハウジ ングの円筒状本体内部に同軸に往復動するよう取付けられた円筒状本体を含んで いる。 （５）リング緊締具が、２つのハウジングが共に動かされるに伴って半導体ウ エーハの外側周縁に係合する周縁突出部を区画形成する開口を有し、この開口が 、１つ又は複数の縁平坦部を有する半導体ウエーハの周縁に一致する幾何学形状 を有し、リング緊締具の開口によって区画形成された周縁突出部が、ウエーハ周 縁上の任意位置において半径方向に約０．１５cmより大きくない距離だけ対応ウ エーハの上に延出し、リング緊締具を第２のハウジングに弾性的に取付ける手段 が、リング緊締具の外側周縁の周りに固定された複数のばね組立体を含み、個々 のばね組立体が、滑らかなシリンダと、このシリンダの中に往復動可能に取付け られたプランジャ要素と、第２のハウジングとプランジャ要素との間に延在する ばね要素とを具備し、第１の電極の露出部分が半導体ウエーハを支持する立上り 台座部分を含み、さらに半導体ウエーハを収容する空間を区画形成するよう立上 り台座部分を区画する立上り環状障壁を具備し、リング緊締具と環状障壁とがそ れぞれ、この緊締具が第２のハウジングに向かって動かされた時係合することの できる表面を含み、それによりリング緊締具と第２の電極とが正しく整列するよ うにしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の原理により構成された緊締機構を用い
る可変間隙プラズマ反応装置の縦断面図である。

【図２】図１の２−２線の部分の詳細図である。

【図３】図１の３−３線の部分の詳細図である。

【図４】図５の４−４に沿う図３と同様な詳細図であ
る。

【図５】図１の実施態様に用いられるリング緊締具の頂
面図である。

【符号の説明】

１０…プラズマエッチング反応装置 １２…第１ハウジング １４…第２ハウジング １６…円筒壁 １８…基板 ２０…円筒体 ２２…電極組立体 ３０…反応室 ３２…第１電極 ３４…調節ねじ ３６…遮蔽リング ４４…立上り台座部分 ４６…環状障壁 ５０…円形空洞 ６０…ガス供給装置 ８０…緊締リング ８２…周縁突出部 ８４…下側表面 ８６…第２表面 ８８…面取り表面 ９０…中央開口 ９２…平坦縁 １００…ばね組立体 １１０…シリンダ １１２…ばね組立体保持具 １１４…プランジャ Ｗ…半導体ウエーハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ランドール エス．ムント アメリカ合衆国，カリフォルニア 94566, プリーザントン，ウィンゲート ドライブ 4820 (72)考案者 ダリウシュ ラフィーネジャド アメリカ合衆国，カリフォルニア 94022, ロス アルトス ヒルズ，アセンション ロード 26650 (72)考案者 バーノン ダブリュ．エイチ．ウォン アメリカ合衆国，カリフォルニア 94040, マウンテン ビュー，フォードハム ウェ イ 1905 (72)考案者 ジェラルド ゼット．イン アメリカ合衆国，カリフォルニア 95129, サン ホセ，ハイド アベニュ 1126

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 保持表面上に半導体ウエーハを緊締する
   ための装置であって、 半導体ウエーハを収容する空洞を区画形成する表面上に
   あり、外側周縁リムを有する立上り環状障壁と、 立上り環状障壁の外側周縁リムと係合可能な第１の表面
   と前記ウエーハが空洞内部に配置された時このウエーハ
   を保持可能な第２の表面とを有し、この第１の表面と周
   縁リムとの係合により空洞と整列するようになっている
   リング緊締具と、 このリング緊締具を保持表面に対し往復動させ、第１の
   表面を障壁に係合してこのリング緊締具を整列させまた
   第２の表面をウエーハに係合してこのウエーハを所定位
   置に保持する手段、 とを具備してなる半導体ウエーハ緊締装置。
2. 【請求項２】 第１のハウジングと、 この第１のハウジングに取付けられ、半導体ウエーハを
   その露出表面上に支持可能な第１の電極と、 第２のハウジングと、 この第２のハウジングに取付けられ第１の電極の露出表
   面とほぼ平行な露出表面を有する第２の電極と、 第１及び第２の電極の各露出表面がほぼ向き合いかつこ
   れら電極の間の距離が調節可能であるように、第１及び
   第２のハウジングを往復動可能に取付ける手段と、 リング緊締具と、 第１及び第２のハウジングが共に動かされるに従ってこ
   のリング緊締具が第１の電極に取付けられた半導体ウエ
   ーハの周縁を押圧するように、リング緊締具を第２のハ
   ウジングに弾性的に取付ける手段とを具備してなる半導
   体反応装置。