JPS6380535A - プラズマ処理装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマを利用して半導体基板を処理するプ
ラズマ処理装置に関する。

（従来の技術） 近年半導体処理装置として、プラズマＣＶＤ装置、プラ
ズマエツチング装置、スパッタリング装置等のプラズマ
を利用した半揮体処理装置が広く普及している。

例えばプラズマエツチング装置では、エツチング槽内に
反応気体を導入してこの反応気体をプラズマ状態に励起
させ、発生した活性成分と基板例えば半導体ウェハ上の
処理対称物とを反応させてエツチング処理を行なう。以
下に、プラズマ処理装置の一例としてこのプラズマエツ
チング装置について説明する。

第７図は平行平板型電極を有するプラズマエツチング装
置を示しており、気密を保持するエツチング槽１内に半
導体ウェハ２のａ置台と６なる下部電極３と、この下部
電極３と対向して高周波電ｆ！４が配置されている。高
周波電極４は反応気体の導入管として作用するような構
造となっており、その下端部の電極部４ａには多孔質部
材を用いている。

このようなプラズマエツチング装置では、エツチング槽
１内の雰囲気を真空ポンプ５により高真空例えば１Ｏ−
６Ｔｏｒｒとした後、エツチング槽１内に反応気体源６
から反応気体例えばアルゴンガスをエツチングｍｌ内に
導入してエツチング槽１内をエツチング処理に必要な真
空度例えば１０’〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒに保持する。

次に高周波電極４に高周波；カフを印加して反応気体を
プラズマ化させ、このガスプラズマ８の反応成分により
エツチング処理を行なう。

ところで上述したようなプラズマエツチング装置では、
下部電極３上に直接半導体ウェハ２が当接する構造であ
るので、半導体ウェハ２と下部電極３との密着性が不十
分であると半導体ウェハ２と下部電極３間に間隙が生じ
てしまい、この間隙により電気的結合性や熱伝導性の低
下を招く恐れがある。

電気的結合性の低下は、処理効率の低下例えばプラズマ
エツチング装置ではエツチング処理率（以下エツチング
レート）の低下や処理むら発生等の原因となり、熱伝導
性の低下は半導体ウェハの温度上昇を招きウェハに塗布
されているフォトレジストを軟化させてエツチング処理
中に剥苓し易くしてしまうという問題がある。

そこで従来のプラズマエツチング装置では下部電極の上
面を平坦にして半導体ウェハとの密着性を向上させてい
た。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、半導体ウェハはその製造工程においてわずか
ながらの歪が発生し、しかもこの歪は半導体ウェハ個々
により異なるため、下部電極上面を平坦にしてもこの歪
により半導体ウェハと下部電極間には少なからず間隙を
生じてしまい完全な密着ができないという問題があった
。

これを解決するために、第８図に示すように下部電極３
の半導体ウェハ２との接触面３ａをゆるやかな凸状に形
成するとともに、半導体ウェハ２の固定ｍｓとして下部
電極３上方にこれと平行に内径が半導体ウェハ２の径よ
りも若干小さいウェハ固定用のリング体（以下クランプ
リング）９を昇降自在に設け、このクランプリング９を
下降させて半導体ウェハ２周縁部を下部電極３に押圧し
て密着性を高めようとするウェハ固定機構を備えたもの
がある。

しかしながら、上述したウェハ固定機構では半導体ウェ
ハ２の歪の曲率と下部電極上面３ａの曲率とが大きく異
なる場合には充分に対応しきれなくなり、また半導体ウ
ェハ周縁部のみをクランプリング９で押圧する構造であ
るため、半導体ウェハ固定時にウェハ周縁部からの応力
が中央部に集中して第８図に示すように半導体ウェハ２
が上方に向って弧状に反り、ウェハ２中央部と下部電極
２間に空隙１０が生じてしまう。このような状態でエツ
チング処理をした半導体ウェハ２は第９図に示す如く、
ウェハ中央部２ａが青色を、ウェハ外周部２ｂが緑色を
呈する。これはウェハ中央部２ａがウェハ外周部２ｂに
くらベエッチングレートが小さく、均一な処理がなされ
ていないことを示している。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、電極と被処理基板との当接面の密着性を向上させる
ことで電気的結合性や熱伝導性を向上させて均一性が良
くしかも処理効率が高いプラズマ処理が可能となるプラ
ズマ処理袋に含提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ発生源を備えた
気密容器内に電極を配置し、この電極面に被処理基板を
当接させてプラズマ処理を行なうように構成されたプラ
ズマ処理装置において、前記電極の被処理基板との当接
面に導電性樹脂体を設けたことを特徴とするものである
。

導電性樹脂体としてはカーボン含有のシリコンラバー等
の耐熱性、柔軟性に優れたものがよく、厚みは０．２ｎ
＋ｎ程度のものが好適である。

また電極と導電性樹脂体との取付は手段としては、硬化
後も弾性を有する導電性接着剤を用いた接着や熱圧着等
の手段がよい。

（作　用） 被処理基板と当接する電極の当接面に設けた導電性合成
樹脂膜は被処理基板と電極との密着性を大幅に向上させ
て電気的結合性や熱伝導性を良好にするので、均一で効
率のよいプラズマ処理が可能となる。

（実施例） 以下、本発明をプラズマエツチング装置に適用した一実
施例について図を参照にして説明する。

第１図および第２図はエツチング処理部を示しており、
このエツチング処理部は図示を省略した気密を保持する
エツチング槽内に設置されている。

被処理基板の半導体ウェハ２０は図示を省略した搬送装
置にてウェハカセットから取り出されてエツチング処理
部２１に搬送され円盤状の下部工！ｆ！２２上に載置さ
れてここでエツチング処理を受けた後再び搬送装置にて
搬出される。

下部電極２２の上方には高周波電源４０と接続された中
空円磐状の高周波電極２３が対向配置されており、この
高周波電極２３上面中心部には反応気体発生器２４で発
生した反応気体例えばアルゴンガスをエツチング槽１内
へ導入するための導入’Ｅｆ　２４が垂設されている。

高周波電極２３の下面電極部２３ａは多孔質部材例えば
メツシュ状に形成されたカーボンによつ形成されており
、反応気体導入管２３から導入された反応気体がこの下
面電極部２３ａを通過して下部電極２２上に載置された
半導体ウェハ２０上に達するような構造としている。

下部電極２２の側面下方には口字状断面の環状中空体で
ある反応気体排気管２６が下部電極２２上面と段差を付
けて配設されており、その上面部には多数の排気孔２７
が同心円状に一定間隔で穿設されている６反応気体排気
管２６外周の一部からは、多数の排気孔２７から導入さ
れた使用済反応気体を真空ポンプ２８へ導くための配管
２９が設けられている。

半導体ウェハ固定機構として、下部電極２２上方に半導
体ウェハの径よりも若干小さい内径を有したリング状の
クランプリング３０が配置されており、このクランプリ
ング３０は下部電極２２円周部にそって等間隔に設けら
れた４本のクランプリング支持棒３１にて支持されてい
る。４本のクライブリング支持棒３１は下部電極２２下
方に配置されたクランプリング昇降用駆動機構であるエ
アシリンダ３２に接続されており、このエアシリンダ３
２の作用によりクランプリングが昇降可能となっている
。

下部電極２２は直径約２００ＩＩｌｌ、厚さ約１０１１
Ｉｌの円板状をしており、その上面中央部には直径約１
２５１１１１、厚さ約８ｎｍの円盤状凸部をしたウェハ
ＲＥ台２２ａが形成されている。このウェハ！！置台２
２ａ上面は半導体ウェハ２０との密着性を良好にするた
めになめらかな凸状を有している。下部電極２２の材料
には導電性、熱伝導性に優れた金属材例えばアルミニウ
ム等が用いられている。

このウェハ’ｍＴ１台２２ａ上面にはウェハ載置台２２
ａとほぼ同径又はより大きく、厚さ約０．２ｎｕａのカ
ーボンを含有した導電性シリコンラバー３３が貼着され
ている。導電性シリコンラバー３３とウェハ載置台２２
ａとの貼着手段として本例では硬化後も弾性を有する導
電性合成樹脂系の接着剤による熱圧着とした。

導電性シリコンラバー３３表面には格子状の浅ｍ　３３
　ａが形成されており、さらに中央部にはつエバ押し上
げピン昇降用の孔３３ｂが４ケ所に穿設されている。

このウェハ押し上げピン昇降用の孔３３ｂは、下部電極
２２を貫通して押し上げピン上下駆動機構であるエアシ
リンダ３４に接続されているウェハ押し上げピン３５の
昇降用のもので、エツチング処理の終了した半導体ウェ
ハ２０を下面から押し上げピン３５によりを押し上げて
導電性シリコンラバー３３から離間させる構造としてい
る。

下部電極２２の半導体ウェハ２０裏面に対向する位置に
は、エツチング処理中に半導体ウェハ２０を冷却するた
めの環状の冷却水循環用配管３６が埋設されており、エ
ツチング処理中にこの冷却水循環用配管３６内に冷却水
導入装置３７から低温例えば１５°Ｃの冷却水が導入さ
れる。

このようなプラズマエツチング装置のウェハ固定動作に
ついて第３図を参照にしながら説明する。

まずウェハ押し上げピン３５が上昇している状態（第３
図（Ｃ））で図示を省略したウェハ撮送装置により半導
体ウェハ２０をウェハ押し上げピン３５上に′ａ置した
後、ウェハ押し上げピン３５を下降させる（第３図（ａ
））、この状態では、ウェハ載置台２２ａ上面がゆるや
かな凸状をしているため周縁部に半導体ウェハとの間隙
が生じるが、クランプリング９が下降して半導体ウェハ
２０周縁部をウェハａＺ台２２ａに押圧することでこの
間隙はなくなる（第３図（ｂ））。このとき従来のウェ
ハ固定機構では、半導体ウェハ固有の歪やウェハ載置台
２２ａ表面の加工精度の問題、クランプ圧力によるウェ
ハ中心部への応力の発生等から半導体ウェハ２０とウェ
ハ載置台２２ａ間に少なからず間隙が生じ、この間隙に
より電気的結合性や熱伝導性が低下してエツチングの処
理むらや、処理効率の低下を招いてしまうが、本例では
弾性に優れた導電性シリコンラバー３３をウェハ８Ｗ台
２２ａ上に貼着しているため密着性が向上し、このよう
な間隙の発生がなくなり半導体ウェハ２０とウェハｉＺ
台２２ａ間の電気的結合や熱伝導性が非常に優れたもの
となっている。

さて、エツチング作業終了後はクランプリング９を上昇
させたあと、ウェハ押し上げピン３５を上昇させ半導体
ウェハ２０をウェハ載置台２２ａから押し上げる（第３
図（Ｃ））。通常エツチング処理は高温環境下で行なわ
れるため、半導体ウェハ２０は高温例えば約１００℃ま
で上昇し、半導体ウェハ２０と導電性シコンラバー３３
がＷ＆着してしまい半導体ウェハ２０の導電性シリコン
ラバー３３からの離間が困難となる恐れがあるが、本例
では導電性シリコンラバー３３表面に格子状の浅溝３３
ａを形成しているためこのような問題は発生しない、な
お、この浅溝３３ａは第３図（ｂ）で示したように半導
体ウェハ２０固定時には完全につぶされて隙間の発生が
生じない程度のものであることは無論である。

上述実施例のプラズマエツチング装置を用いて実際に実
験をしたので以下に説明する。

実験は、導電性シリコンラバーを使用していない装置、
本例のカーボン含有の導電性シリコンラバーを用いた装
置の２種類について行なった。また、実験に際しては装
置構造はもちろんのこと、使用電極の部材および形状、
反応気体の種類、電源出力値、真空度等のエツチング処
理条件は全て同一とした。供給電源としては、エツチン
グ対称物が酸化膜であったなめ、３８０ｋ）ｔａｎ；周
波電源を用いている。もちろんエツチング対称物により
最適な電源周波数は異なる。

以下表１に示す実験条件のもとに実験を行ない表２に示
す結果を得た。

（以下余白） 表１　　実験条件 表２　　実験結果 この実験結果から判明したことは、導電性シリコンラバ
ーを使用した場合には、これを使用しない場合に対し、 （１）エツチングレートが４６９人／分（２）　Ｓｉエ
ンチレートが一１５４人／分（３）　Ｓｉ遷択比が６．
３ （４）半導体ウェハ上面温度が約−２０°Ｃの向上がは
かれ、明らかに導電性シリコンラバーの効果が現れた。

さらにエツチング作業中の半導体ウェハ上面部の温度分
布がほぼ均一になった。

上記実験結果から考えられることは、導電性シリコンラ
バーにより半導体ウェハと下部電極との密着性が大福に
向上した結果、（イ）半導体ウェハと下部電極間との電
気的結合が良好になって半導体ウェハと対向電極間の電
界の強さが均一となり処理効率が向上したこと、（ロ）
半導体ウェハと下部電極間の熱伝導性が良好になり、冷
却効果が向上したことである。またエツチング処理完了
後における半導体ウェハの等電性シリコンラバーからの
階間時に際し、半導体ウェハと導電性シリコンラバーと
の融着は認められず、導電性シリコンラバーを貼着して
いない装置と何らかわりなく容易に離間可能であった。

これは導電性シリコンラバー上に形成した浅溝が半導体
ウェハとの融着を防止したためである。

ところで、本発明者はクランプリングの半導体ウェハに
対する押圧力についても着目し、クランプリングの押圧
力変化とエツチングレートの関係を求めるために実験を
行なったので以下に説明する。実験は前述実施例の装置
を用いて以下の表３に示す実験条件下で行なった。測定
はクランプ圧力を１０ｋ（Ｉｆ（クランプリング支持棒
１木当たり２．５ｋｇｆ）、２７ｋｇｆ（同６．７５ｋ
ｇｆ）　、４２ｋｇｆ（同１０．５ｋｇｆ）、について
行い、結果を第４図に示す。

（以下余白） 表３　　実験条件 第４図において、Ｘ＠におけるａ、ｂおよびＣは半導体
ウェハ周縁部の一点をａとし、半導体ウェハ中心部をす
、ｂを通りａと対向する側の半導体ウェハ周縁に設けた
点をＣとし、これらａ→ｂ→Ｃ線上におけるエツチング
レートをＹ軸にとっている。

実験結果から判明することは、（イ）クランプ圧が大き
くなる程エツチングレートが低下すること、（ロ）クラ
ンプ圧が２７ｋｇｆと４２ｋ（ｌｆのときに半導体ウェ
ハ中心部のエツチングレートの低下が顕著であること、
（ハ）クランプ圧が１０ｋｇｆのときが最も均一なエツ
チングができることである。

これら原因はクランプ圧が大きくなりすぎると、半導体
ウェハ２０が上方へ向って弧状に反り、半導体ウェハ中
心部と導電性シリコンラバー間３３に間隙が生じるため
である。従って、厚さが６３０μｍの５インチウェハの
場合にはその周縁部を１０ｋｇｆで押圧する方法が最も
効率的であることが判明しな。

ところで本発明に使用する導電性合成樹脂膜は柔軟性に
優れているもの程密着性が良くなり好ましいが、ウェハ
固定時にクランブリング押圧部即ち導電性合成樹脂膜周
縁部に応力が加わり皺が発生し易くなり、この皺により
空隙が生じる可能性がある。

本発明の他の実施例として第５図に示すように、ウェハ
載置台２２ａ上部に半導体ウェハ２０よりも若干率さな
径で深さが導電性合成樹脂膜とほぼ同じ凹部４０を形成
し、この凹部４０に導電性合成樹脂膜４１を装着するこ
とにより（第５図（ａ））、ウェハ固定時における導電
性合成樹脂膜４１外周部に対する応力をウェハ載置台２
２ａに吸収させて皺の発生を減少させることができる（
第５図（ｂ））、尚、本発明に使用する導電性樹脂体と
しては、導電性テフロンや導電性シリコンゴムや導電性
弗素系ゴム等、弾性、熱伝導性、電気伝導性に優れたも
のであればいずれでもよい。

また、本発明はプラズマＣＶＤ、ＥＣＲエツチング、ス
パッタリング装置等、電極と被処理基板が当接し、プラ
ズマ雲囲気を設ける構造のものであれぽいずれにも適用
可能である。またプラズマの雰囲気は高周波放電に限ら
ずマイクロ波放電、直流放電によって形成してもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のプラズマ処理装置によれば
、処理対象物と下部電極との密着性が向上するので、電
気的結合性や熱伝導性か向上し、均一性が良くしかも処
理効率の盲いプラズマ処理が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した一実施例であるプラズマエ
ツチング装置のエツチング処理部を示す斜視図、第２図
は第１図の縦断面図、第３図はウェハ固定機構の動作を
示す断面図、第４図はクランプ圧とエツチングレートの
関係を示す図、第５図は他の実施例のウェハ固定ａＦｆ
Ｉを示す図、第６図はプラズマエツチング装置の概念的
な構成を示す断面図、第７図および第８図は従来のウェ
ハ固定機構を示す断面図、第９図は従来装置によりエツ
チング処理した半導体ウェハの表面の処理状態を示す図
である。 ２０・・・・・・半導体ウェハ、２１・・・・・・エツ
チング処理部、２２・・・・・・下部電極、２２ａ・・
・・・・ウェハ載置台、２３・・・・・・対向主峰、３
０・・・・・・クランプリング、３１クランブリング支
持棒、３２・・・・・・エアシリンダ、３３・・・・・
・導電性シリコンラバー、３３ａ・・・・・・浅溝、３
４・・・・・・エアシリンダ、３５・・・・・・ウェハ
押し上げピン、４０・・・・・・凹部、４１・・・・・
・導電性合成樹脂膜。 出願人　　　　　　東京エレクトロン株式会社代理人　
弁理士　　須　山　佐　− 工 第２図 （Ｃ１ 第３図 第４図 （ａ） 第５図 第８図 第９図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ発生源を備えた気密容器内に電極を配置
   し、この電極面に被処理基板を当接させてプラズマ処理
   を行なうように構成されたプラズマ処理装置において、 前記電極の被処理基板との当接面に導電性樹脂体を設け
   たことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. （２）プラズマ処理装置が、被処理基板を載置するエッ
   チング電極と、前記エッチング電極上に設けられた導電
   性合成樹脂膜と、前記エッチング電極と対向して配置さ
   れた対向電極と、前記エッチング電極の上方にこれと平
   行に配置された内径が被処理基板の外径よりもやや小さ
   い基板押圧リング体と、前記基板押圧リング体を昇降さ
   せて下降時に前記被処理基板周縁部を前記エッチング電
   極に押圧するための基板押圧リング体昇降装置とを備え
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズ
   マ処理装置。
3. （３）導電性樹脂体の被処理基板との当接面に粗面が形
   成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のプラズマ処理装置。
4. （４）導電性樹脂体が被処理基板と当接する電極の当接
   面に導電性合成樹脂系接着剤により貼着されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理
   装置。
5. （５）導電性樹脂体が導電性シリコンラバーであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理
   装置。