(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理装置において、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路を上記支持体内に設ける共に第１、第２ガス通路に互いに吸熱反応する異なった熱伝導性ガスをそれぞれ供給する第１、第２ガス供給手段を接続したことを特徴とする処理装置。
【請求項２】
処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理装置において、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路を上記支持体内に設ける共に第１、第２ガス通路に互いに発熱反応する異なった熱伝導性ガスをそれぞれ供給する第１、第２ガス供給手段を接続したことを特徴とする処理装置。
【請求項３】
上記第１、第２ガス供給手段それぞれに熱伝導性ガスの圧力を制御する圧力制御手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の処理装置。
【請求項４】
上記圧力制御手段は、上記熱伝導性ガスの供給流量を制御する供給量制御手段と、上記熱伝導性ガスの排気量を制御する排気量制御手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の処理装置。
【請求項５】
上記排気量制御手段の上流側で且つ上記支持体の下流側に圧力検出手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の処理装置。
【請求項６】
上記第１、第２ガス供給手段それぞれに温度調整機構を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項７】
上記第１ガス通路の開口部を上記支持面の外周縁部に設けると共に上記第２ガス通路の開口部を上記支持面の外周縁部より内側に設けたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項８】
上記プラズマを発生させるために、上記支持体に高周波電力を印加する高周波電源を接続したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の処理装置。
【請求項９】
処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理方法において、上記被処理体を処理する際に、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路それぞれに互いに吸熱反応する異なった熱伝導性ガスを供給することを特徴とする処理方法。
【請求項１０】
処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理方法において、上記被処理体を処理する際に、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路それぞれに互いに発熱反応する異なった熱伝導性ガスを供給することを特徴とする処理方法。
【請求項１１】
上記第１、第２ガス通路それぞれに供給する熱伝導性ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の処理方法。
【請求項１２】
上記第１、第２ガス通路へのガス供給量及び／また上記第１、第２ガス通路からのガス排気量をそれぞれ制御することを特徴とする請求項１１に記載の処理方法。
【請求項１３】
上記第１、第２ガス流路から排気するガスの圧力をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の処理方法。
【請求項１４】
上記第１、第２ガス通路にそれぞれ供給する上記各熱伝導性ガスの温度を調整することを特徴とする請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の処理方法。
【請求項１５】
上記第１ガス通路の熱伝導性ガスを上記支持面の外周縁部から供給すると共に上記第２ガス通路の熱伝導性ガスを上記支持面の外周縁部より内側から供給することを特徴とする請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載の処理方法。
【請求項１６】
上記支持体に高周波電力を印加して上記プラズマを発生させることを特徴とする請求項９〜請求項１５のいずれか１項に記載の処理方法。
【請求項１７】
予めモニター用の被処理体を用いてその表面の温度分布を測定し、上記第１、第２ガス通路への熱伝導性ガスの供給量及び／また上記第１、第２ガス通路からのガス排気量を設定し、上記温度分布を均一にすることを特徴とする請求項９〜請求項１６のいずれか１項に記載の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、処理装置及びその製造方法並びに被処理体の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、半導体ウエハの表面に薄膜を形成したり、半導体ウエハの薄膜を除去したりすることが行なわれており、このような成膜工程及び除膜工程には減圧ＣＶＤ装置、スパッタリング装置あるいはエッチング装置、アッシング装置などの処理装置が広く用いられている。そして、最近では半導体デバイスが１６ＭＤＲＡＭ、６４ＭＤＲＡＭと高集積化し、その配線構造がハーフミクロン、クォータミクロンオーダーの超微細構造になって来ているため、プラズマを利用したＣＶＤ装置、エッチング装置などが用いられている。例えば、超微細加工のエッチング技術では、一方向のみを優先的にエッチングする異方性エッチング技術が重要である。異方性エッチングを行なう装置としては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置が知られている。
【０００３】
ＲＩＥ装置は、高周波電力を印加した下部電極と接地された上部電極との間でエッチングガスのプラズマを発生させ、このプラスマ中の反応性イオンを負に自己バイアスされた下部電極に向けて照射し、この反応性イオンにより半導体ウエハ等の被処理体表面の被エッチング成分をエッチングするよう構成されている。このエッチングに際し、反応性イオン以外にも化学的に活性なラジカルも同時に生成し、このラジカルによっても被エッチング成分がエッチングされる。ところがラジカルは電気的に中性であるため、その照射方向を一方向に規制することができず等方的なエッチングが起こり、その結果半導体ウエハがサイドエッチングされ、精度の高いエッチングを行なうことができない。そのため、従来から被処理体を支持する下部電極を液化窒素などの冷媒を用いて例えばマイナス温度域の低温に制御し、ラジカル反応を凍結して異方性エッチングの精度を高めるようにしている。また、半導体ウエハをエッチングする際には半導体ウエハ全面の温度を略均一に制御してエッチング速度にバラツキがないようにする必要がある。
【０００４】
また、プラズマＣＶＤ装置の場合には、高周波電力を印加した下部電極と接地された上部電極との間でプロセスガスのプラズマを発生させ、このプラスマ中の生成ガスが下部電極上の半導体ウエハ表面に堆積して所定の薄膜を形成するよう構成されている。そして、プラズマＣＶＤ装置の場合にも半導体ウエハの処理温度が成膜速度に大きな影響を与えるため、半導体ウエハ全面の温度を略均一に制御する必要がある。そのため、従来から半導体ウエハを載置する下部電極に内蔵された温度調整機構などを用いて被処理体全面を均一に加熱して被処理体表面に均一な薄膜を形成するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被処理体の接触面及び下部電極上面は完全な平坦に加工することが困難で、それぞれの面には微視的な凹凸が残っており、これらの凹凸故に被処理体が下部電極に密着せず、下部電極上面と被処理体裏面との間に細隙が形成されるため、従来の処理装置の場合には、この細隙部分における下部電極からの熱伝達が接触部分における熱伝達よりも劣り、均一な冷却を行なうことができず、被処理体面内で温度分布を生じて被処理体に均一なプラズマ処理を施すことが難しいという課題があった。また、従来の処理装置の中には下部電極がプラズマの照射損傷を受けないように下部電極の外径を被処理体の外径より小さく形成したものがある。このような処理装置の場合には下部電極からはみ出した被処理体の外周縁部をその内側ほどに冷却することができず、処理中にその外周縁部の温度がその内側よりも高くなり、均一なプラズマ処理が益々難しくなるという課題があった。
【０００６】
また、従来のプラズマＣＶＤ装置やプラズマアッシング装置の場合には、薄膜化が進むに連れて処理室内が高真空になるため、エッチング装置と同様に下部電極上面の微細な凹凸が電極から被処理体への熱伝達を阻害し、被処理体表面を均一に加熱することができず、均一な成膜あるいはアッシングを行なうことが難しくなるという課題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被処理体とこれを保持する支持体間の接触不良による冷却ムラや加熱ムラを効率良く抑制し、被処理体の面内での温度分布を抑制し、安定したプラズマ処理を短時間で施すことができる処理装置及び処理方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の処理装置は、処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理装置において、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路を上記支持体内に設ける共に第１、第２ガス通路に互いに吸熱反応する異なった熱伝導性ガスをそれぞれ供給する第１、第２ガス供給手段を接続したことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の処理装置は、処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理装置において、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路を上記支持体内に設ける共に第１、第２ガス通路に互いに発熱反応する異なった熱伝導性ガスをそれぞれ供給する第１、第２ガス供給手段を接続したことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の処理装置は、請求項１または請求項２に記載の発明において、上記第１、第２ガス供給手段それぞれに熱伝導性ガスの圧力を制御する圧力制御手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載の処理装置は、請求項３に記載の発明において、上記圧力制御手段は、上記熱伝導性ガスの供給流量を制御する供給量制御手段と、上記熱伝導性ガスの排気量を制御する排気量制御手段とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項５に記載の処理装置は、請求項４に記載の発明において、上記排気量制御手段の上流側で且つ上記支持体の下流側に圧力検出手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項６に記載の処理装置は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、上記第１、第２ガス供給手段それぞれに温度調整機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の請求項７に記載の処理装置は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記第１ガス通路の開口部を上記支持面の外周縁部に設けると共に上記第２ガス通路の開口部を上記支持面の外周縁部より内側に設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の請求項８に記載の処理装置は、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明において、上記プラズマを発生させるために、上記支持体に高周波電力を印加する高周波電源を接続したことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の請求項９に記載の処理方法は、処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理方法において、上記被処理体を処理する際に、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路それぞれに互いに吸熱反応する異なった熱伝導性ガスを供給することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の請求項１０に記載の処理方法は、処理室内の支持体で支持された被処理体にプラズマ処理を施す処理方法において、上記被処理体を処理する際に、上記支持体の支持面で開口する第１、第２ガス通路それぞれに互いに発熱反応する異なった熱伝導性ガスを供給することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の請求項１１に記載の処理方法は、請求項９または請求項１０に記載の発明において、上記第１、第２ガス通路それぞれに供給する熱伝導性ガスの圧力を制御することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の請求項１２に記載の処理方法は、請求項１１に記載の発明において、上記第１、第２ガス通路へのガス供給量及び／また上記第１、第２ガス通路からのガス排気量をそれぞれ制御することを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の請求項１３に記載の処理方法は、請求項１１または請求項１２に記載の発明において、上記第１、第２ガス流路から排気するガスの圧力をそれぞれ検出することを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の請求項１４に記載の処理方法は、請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の発明において、上記第１、第２ガス通路にそれぞれ供給する上記各熱伝導性ガスの温度を調整することを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の請求項１５に記載の処理方法は、請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載の発明において、上記第１ガス通路の熱伝導性ガスを上記支持面の外周縁部から供給すると共に上記第２ガス通路の熱伝導性ガスを上記支持面の外周縁部より内側から供給することを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の請求項１６に記載の処理方法は、請求項９〜請求項１５のいずれか１項に記載の発明において、上記支持体に高周波電力を印加して上記プラズマを発生させることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明の請求項１７に記載の処理方法は、請求項９〜請求項１６のいずれか１項に記載の発明において、予めモニター用の被処理体を用いてその表面の温度分布を測定し、上記第１、第２ガス通路への熱伝導性ガスの供給量及び／また上記第１、第２ガス通路からのガス排気量を設定し、上記温度分布を均一にすることを特徴とするものである。
【００２５】
【発明に実施の形態】
以下、図１〜図６に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
本実施形態の処理装置は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置として構成されている。このＲＩＥ装置は、図１に示すように、例えばアルミニウム等の導電性材料により円筒状に形成され処理室１を備えている。この処理室１は気密構造に構成され、その周面下部に接続された排気管２を介して図示しない真空ポンプにより真空引きして例えば１０−２Torr以下の真空雰囲気を形成できる。処理室１内の底面にはアルミニウム等の導電性材料により半導体ウエハ３より小径に形成された支持体としての下部電極４が配設され、この下部電極４により半導体ウエハ３を支持する。
【００２６】
下部電極４の内部には液化窒素等の冷媒が流通する冷媒通路５が形成され、この冷媒通路５内に冷媒を供給してマイナス領域の温度まで下部電極４を冷却する。更に、この下部電極４にはブロッキングコンデンサ６を介して高周波電源７が接続され、この高周波電源７の１３.５６Ｍ Ｈzの高周波電圧をブロッキングコンデンサ６を介して下部電極４に印加する。また、下部電極４の上面にはこれと同一外径の静電チャック８が接着剤で貼り付けられている。この静電チャック８は、銅箔等の導電性金属膜９をポリイミド系樹脂フィルム等の絶縁性膜１０で挟んだサンドイッチ構造に形成されている。導電性金属膜９には直流電源１１が接続され、この直流電源１１から直流電圧を導電性金属膜９に印加して発生する絶縁性膜１０表面のクーロン力により半導体ウエハ４を吸着する。また、下部電極４の周囲には石英等により形成されたフォーカスリング１２が配設され、このフォーカスリング１２により後述のように発生したプラズマを静電チャック８で支持された半導体ウエハ３へ集める。
【００２７】
また、下部電極４の上方には例えば１５〜２０ｍｍの間隔を隔てて対向する上部電極１３が配設され、この上部電極１３は扁平な中空円盤状に形成されている。上部電極１３の上面中央には処理室１上面中央を貫通しエッチングガスの供給源（図示せず）に連通する供給管１４が接続され、その下面全面にはエッチングガスを処理室１内へ噴出する多数の孔１４Ａが分散して形成されている。この上部電極１３はグランド電位を維持するように接地されている。そして、この上部電極１３から処理室１内にエッチングガスを供給し、下部電極４に高周波電力を印加すると、下部電極４と上部電極１３でエッチングガスのプラズマを発生する。
【００２８】
また本実施形態では、下部電極４内には冷媒通路５と干渉しない位置に熱伝導性に優れ且つ互いに吸熱反応する熱伝導性ガス（反応性ガス）がそれぞれ通る第１、第２ガス通路１５、１６が図１、図３に示すように形成され、しかも第１、第２ガス通路１５、１６はいずれも後述のように下部電極４の上面の複数位置で開口している。また、第１、第２ガス通路１５、１６には第１、第２ガス給排手段１７、１８がそれぞれ接続され、これらのガス給排手段１７、１８から互いに吸熱反応する反応性ガスを第１、第２ガス通路１５、１６へ供給すると共にそれぞれのガス圧を所定圧で維持するように排気制御する。これらの第１、第２ガス給排手段１７、１８はいずれも同様に構成されている。例えば、第１ガス給排手段１７は、反応性ガスが充填されたボンベ１７Ａと、反応性ガスの流量を制御するマスフローコントローラ１７Ｂと、マスフローコントローラ１７Ｂにより供給された反応性ガスを排気制御する可変バルブ１７Ｃとを備えて構成されている。
【００２９】
熱伝導性に優れ且つ互いに吸熱反応する反応性ガスの組み合わせとしては、例えば窒素ガスと酸素ガスの組み合わせ、窒素ガスと水素ガスの組み合わせ等を挙げることができる。この場合には第１ガス給排手段１７から供給する反応性ガスと、第２ガス給排手段１８から供給する反応性ガスとが異なり、半導体ウエハ３と下部電極４間の細隙において互いに吸熱反応を起こす。この吸熱反応により単に熱伝達率を高めるだけでなく、半導体ウエハ３からの吸熱により更に冷却効率を高めることができる。但し、熱伝導性ガスとして反応性ガスを供給する場合には、これらのガス及び生成ガスがプラズマ処理に影響しないものを選択する必要がある。
【００３０】
また、図２に示すように下部電極４の上面で開口する第１ガス通路１５の第１開口部１９は下部電極４の外周縁部に周方向に沿って例えば１２個形成され、これらの第１開口部１９はいずれも同一円周上に配置されている。また、同様に下部電極４の上面で開口する第２ガス通路１６の第２開口部２０は第１開口部１９の配置された円周の内側に例えば１２個分散配置されている。１２個のうち８個の第２開口部２０は第１開口部１９のやや内側で周方向に等間隔を隔てて同一円周上に配置され、残りの４個は８個の第２開口部２０の更に内側に位置し、やはり周方向に等間隔を隔てて同一円周上に配置されている。第１、第２開口部１９、２０の大きさは、０.１〜２.０ｍｍ径のものが好ましい。また、その個数は上記個数に制限されるものではなく、その個数が多く、広く分散している方が極め細かく半導体ウエハ３の温度を制御することができて好ましいが、経済面を勘案すると８〜２００個が好ましい。
【００３１】
また、静電チャック８には第１、第２開口部１９、２０に対応させた２種類の第１、第２孔２１、２２がそれぞれ複数ずつ形成されている。第１孔２１は４箇所でそれぞれ同一形状、同一大きさの円弧状に形成され、４個の第１孔２１にはそれぞれ３個の第１開口部１９が臨むように形成されている。また、第２孔２２は１２個の第２開口部２０に対応させてこれらと同一大きさに形成されている。従って、下部電極４と半導体ウエハ３で挟まれた円弧状の第１孔２１は円弧状の空間を形成し、この円弧状の空間部はこの部分で開口した３個の第１開口部１９を介して第１ガス通路１５と連通し、第１ガス通路１５と同一ガス圧を維持する。第２孔２２についても第１孔２１と同様に半導体ウエハ３の裏面で第２ガス通路１６と同一ガス圧を維持するように構成されている。尚、一番内側に配置された４個の第２開口部２０及び第２孔２２は下部電極４に内蔵されたリフタピン（図示せず）が進退動する孔を利用するように構成されている。
【００３２】
熱伝導性に優れ且つ互いに吸熱反応する反応性ガスの組み合わせとして例えば窒素ガスと酸素ガスを第１、第２ガス給排手段１７、１８のボンベ１７Ａ、１８Ａから個別に供給しながらそれぞれの排気量を可変バルブ１７Ｃ、１８Ｃ及び圧力計１７Ｄ、１８Ｄにより制御することにより第１ガス通路１５内の窒素ガスのガス圧と第２ガス通路１６内の酸素ガスのガス圧をそれぞれ所定圧に制御することができる。所定圧の窒素ガスと酸素ガスは第１、第２ガス通路１５、１６の第１、第２開口部１９、２０及び静電チャック８の第１、第２孔２１、２２を介して静電チャック８と半導体ウエハ３間の細隙を満たし、これらのガスにより細隙での熱伝導性を高めるとができる。しかも、エッチング時の半導体ウエハ３での発熱により窒素ガスと酸素ガスが吸熱反応し、半導体ウエハ３の熱を吸熱してその冷却効率を一層高めることができる。また、熱伝導性ガス（反応性ガス）としては、エンタルピーが大きなガスほど好ましい。エンタルピーが大きなガスは、熱伝達媒体としての機能ばかりでなく、多くの熱エネルギーを輸送でき、それだけ半導体ウエハ３に多くの熱を奪い、あるいは多くの熱を与えることができる。
【００３３】
従って、静電チャック８上に半導体ウエハ３を吸着し、下部電極４と上部電極４間の真空放電によりエッチングガスのプラズマを発生させて半導体ウエハ３にエッチング処理を施す際に、半導体ウエハ３がエッチングにより昇温しても、半導体ウエハ３を下部電極４により冷却することができる。そして、この冷却作用は半導体ウエハ３が静電チャック８全面に均等に密着せず、両者間に多少の細隙が形成されていても、この細隙に第１、第２開口部１９、２０及び第１、第２孔２１、２２を介して窒素ガスと酸素ガスが供給され、これらのガスにより細隙での熱伝達率を高め、半導体ウエハ３の熱は窒素ガス及び酸素ガスを介して下部電極４へ均等に伝達され、半導体ウエハの密着の度合に関係なく半導体ウエハ３全面をムラなく冷却することができる。しかも半導体ウエハ３がエッチングによる発熱を利用した窒素ガスと酸素ガスの吸熱反応により半導体ウエハ３の熱を吸熱するため、半導体ウエハ３の冷却効率を更に高めることができる。
【００３４】
また、本実施形態のように半導体ウエハ３が静電チャック８よりも大径の場合には、静電チャック８からはみ出した半導体ウエハ３の外周縁部が直接冷却されず、その部分の温度がその内側よりも高温になるが、この場合には、第１、第２ガス給排手段１７、１８により窒素ガスと酸素ガスの給排を制御して第１ガス通路１５内の窒素ガスのガス圧を第２ガス通路１６内の酸素ガスのガス圧より高く設定することができる。このように第１ガス通路１５内の窒素ガスのガス圧を第２ガス通路１６内の酸素ガスのガス圧より高く設定することにより、窒素ガスと酸素ガスの吸熱反応と相俟って半導体ウエハ３の外周縁部での冷却作用をその内側よりも強くすることができ、半導体ウエハ３の外周縁部をその内側よりも強く冷却し、半導体ウエハ３全面をムラなく冷却してその面内での温度分布をなくすことができる。
【００３５】
次に、動作について説明する。真空引きされた処理室１内の下部電極４に半導体ウエハ３を載置し、静電チャック８のクーロン力で半導体ウエハ３を静電チャック８上に吸着する。次いで、上部電極１３の供給管１４でエッチングガスを受給し、その孔１４Ａから処理室１内へエッチングガスを供給し、エッチングガスのガス圧を例えば１０−２Torr以下の真空度に設定する。次いで、下部電極４に１３.５６ＭＨzの高周波電圧を印加しエッチングガスを介して下部電極４と上部電極１３間で真空放電させるとこれら両者間でエッチングガスがプラズマ化し、主としてその反応性イオンによって半導体ウエハ３に異方性エッチングを施す。このエッチングにより半導体ウエハ３の温度が上昇するが、下部電極４内の冷媒通路５を流通する液化窒素等の冷媒により下部電極４を冷却しているため、この下部電極４及び静電チャック８を介して半導体ウエハ３を冷却してその温度上昇を抑制する。
【００３６】
この時、第１、第２ガス給排手段１７、１８のガスボンベ１７Ａ、１８Ａからマスフローコントローラ１７Ｂ、１８Ｂを介して予め設定されたガス流量に制御しながら下部電極４内の第１ガス通路１５に窒素ガスを供給すると共に第２ガス通路１６内に酸素ガスを供給している。この第１、第２ガス通路１５、１６内に供給された窒素ガスと酸素ガスはそれぞれの可変バルブ１７Ｃ、１８Ｃによって排気量を制御し、第１、第２ガス通路１５、１６内の圧力がそれぞれ一定圧力に設定されている。このように圧力設定された窒素ガスは第１ガス通路１５の第１開口部１９及び静電チャック８の第１孔２１を介して静電チャック８と半導体ウエハ３間に形成された細隙に侵入すると共に酸素ガスは第２ガス通路１６の第２開口部２０及び静電チャック８の第２孔２２を介して静電チャック８と半導体ウエハ３間に形成された細隙に侵入してこれらの細隙の圧力をそれぞれ上述の圧力に維持する。
【００３７】
従って、半導体ウエハ３外周縁部裏面の細隙における窒素ガスのガス圧はその内側の細隙における酸素ガスのガス圧よりも高く設定されているため、前者の細隙での熱伝達速度が後者の細隙での熱伝達速度よりも速く、半導体ウエハ３の外周縁部をその内側よりも強く冷却する。しかも、窒素ガスと酸素ガスの吸熱反応によって半導体ウエハ３の熱を吸熱し、それぞれの細隙における冷却効率が一層高くなり、より短時間で半導体ウエハ３を所定温度まで冷却して全面の温度をより短時間で均一化し、スループットを高めることができる。従って、静電チャック８から半導体ウエハ３の外周縁部がはみ出し、その内側よりも高温になる場合であっても、この部分を内側よりも強く冷却するため、結果的には半導体ウエハ３全面をバランス良く冷却して面内の温度分布をなくし、全面で均一な異方性エッチングを施すことができる。
【００３８】
以上説明したように本実施形態によれば、下部電極４の支持面で開口する第１、第２ガス通路１５、１６を下部電極４内に設ける共に第１、第２ガス通路１５、１６に互いに吸熱反応する窒素ガスと酸素ガスをそれぞれ供給する第１、第２ガス給排手段１７、１８を接続したため、窒素ガスを第１ガス給排手段１７から第１ガス通路１５へ供給すると共に酸素ガスを第２ガス給排手段１８から第２ガス通路１６へ供給すれば、これらのガスは第１、第２ガス通路１５、１６を経由して第１、第２開口部１９、２０及び第１、第２孔２１、２２を介して下部電極４上面の外周縁部及びその内側の複数箇所から半導体ウエハ３と静電チャック８間の細隙に行き渡り、細隙に介在する窒素ガスと酸素ガスにより半導体ウエハ３と下部電極４間の熱伝達率が高まり、しかも窒素ガスと酸素ガスが細隙において吸熱反応して半導体ウエハ３の熱を吸熱し、半導体ウエハ３全面をムラなく短時間で冷却して半導体ウエハ３面内での温度分布を抑制し、半導体ウエハ３全面に均一なエッチングを施すことができ、ひいてはスループットを高めることができる。
【００３９】
更に、本実施形態では、第１、第２ガス給排手段１７、１８のマスフローコントローラ１７Ｂ、１８Ｂ及び可変バルブ１７Ｃ、１８Ｃを介して第１、第２ガス通路１５、１６内の窒素ガスと酸素ガスそれぞれの圧力を個別に制御して静電チャック８と半導体ウエハ３間の外周縁部の細隙に介在する窒素ガスの圧力をその内側の細隙に介在する酸素ガスの圧力よりも高く設定するようにしたため、外周縁部の細隙の方がその内側に細隙よりも熱伝達率が良くなり、窒素ガスと酸素ガスの吸熱反応と相俟って半導体ウエハ３の外周縁部をその内側よりも強く冷却することができる。従って、半導体ウエハ３の外周縁部が静電チャック８からはみ出していても半導体ウエハ３面内を均一に冷却し、半導体ウエハ３全面に均一なエッチングを施すことができる。
【００４０】
図４〜図６に示すプラズマエッチング装置を例に挙げて本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態の処理装置は、図４、図５に示す下部電極及びガスの給排機構を除き、上記実施形態と同様に構成されている。そこで、本実施形態の特徴を中心にして本発明を説明する。
【００４１】
本実施形態のエッチング装置の下部電極３１内には、図４に示すように熱伝導性に優れ且つ互いに吸熱反応する異なった熱伝導性ガス例えば窒素ガスと酸素ガスがそれぞれ通る第１、第２ガス通路３２、３３が形成され、しかも第１、第２ガス通路３２、３３はいずれも図５に示すように下部電極３１の上面の複数位置で開口している。また、第１、第２ガス通路３２、３３には第１、第２ガス供給手段３４、３５がそれぞれ接続され、これらのガス供給手段３４、３５それぞれから窒素ガスと酸素ガスを第１、第２ガス通路３２、３３へ供給する。これらの第１、第２ガス供給手段３４、３５はいずれも同様に構成されている。第１、第２ガス供給手段３４、３５は、窒素ガスと酸素ガスがそれぞれ充填されたガス供給源例えばボンベ３４Ａ、３５Ａと、ボンベ３４Ａ、３５Ａと第１、第２ガス通路３２、３３をそれぞれ連結する、例えばステンレス、インコネル等のニッケル合金により形成された配管３４Ｂ、３５Ｂと、配管３４Ｂ、３５Ｂにそれぞれ取り付けられ、ヘリウムガスの流量を制御するマスフローコントローラ３４Ｃ、３５Ｃと、マスフローコントローラ３４Ｃ、３５Ｃの下流側に取り付けられた、可変バルブ３４Ｄ、３５Ｄ及び圧力計３４Ｅ、３５Ｅとを備えている。また、下部電極３１内には上記実施形態と同様の冷媒通路３６が形成され、この冷媒通路３６を流れる液化窒素により下部電極３１を冷却する。
【００４２】
本実施形態では、互いに吸熱反応する反応性ガスとして窒素ガスと酸素ガスを用いているが、その他の吸熱反応するガス、例えば窒素ガスと水素ガスの組み合わせであっても良い。また、互いに発熱反応する異なった熱伝導性ガス（反応性ガス）を用いることもできる。発熱反応するガスとしては、例えば水素ガスと酸素ガス、一酸化炭素ガスと酸素ガスなどの組み合わせがある。また、熱伝導性ガスとしては、エンタルピーが大きなガスほど好ましい。エンタルピーが大きなガスは、熱伝達媒体としての機能ばかりでなく、多くの熱エネルギーを輸送でき、それだけ半導体ウエハ３に多くの熱を奪い、あるいは多くの熱を与えることができる。
【００４３】
そして、図５に示すように下部電極３１の上面で開口する第１ガス通路３２の第１開口部３７は下部電極３１の外周縁部に周方向に沿って例えば８個形成され、これらの第１開口部３７はいずれも同一円周上に配置されている。また、同様に下部電極３１の上面で開口する第２ガス通路３３の第２開口部３８は第１開口部３７の配置された円周の内側に例えば１６個分散配置されている。そのうち８個の第２開口部３８は第１開口部３７のやや内側で径方向に等間隔を隔てた円周上に配置され、残りの８個は更に内側に位置し、やはり径方向に等間隔を隔てた円周上に配置されている。第１、第２開口部３７、３８の大きさは、０.１〜２.０ｍｍ径のものが好ましい。また、その個数は上記個数に制限されるものではなく、その個数が多く、広く分散している方が極め細かく半導体ウエハ３の温度を制御することができて好ましいが、経済面を勘案すると８〜２００個が好ましい。
【００４４】
また、上記配管３４Ｂ、３５Ｂそれぞれにはマスフローコントローラ３４Ｃ、３５Ｃと圧力計３４Ｅ、３５Ｅの間に位置する第１、第２温度調整機構３９、４０がそれぞれ取り付けられている。これらの温度調整機構３９、４０はいずれも同様に構成されている。そこで、第１温度調整機構３９を例に挙げて図４、図６を参照しながら説明し、第２温度調整機構４０には第１温度調整機構３９の部品に相当する符号を付してその説明を省略する。第１温度調整機構３９は、例えば図６に示すように、配管３４Ｂ内に装着された温度調整部材３９Ａと、温度調整部材３９Ａを全長に亘って配管３４Ｂを介して囲むコイル３９Ｂと、コイル３９Ｂを介して温度調整部材３９Ａの温度を調整する温度制御器３９Ｃとを備えている。そして、本実施形態のように窒素ガスを冷却する場合にはコイル３９Ｂは例えば冷媒が循環する冷却コイルとして構成され、また温度制御器３９Ｃは冷却機として構成されている。そして、冷却コイルと配管３４Ｂ間には熱伝達媒体例えばシリコーングリースが介在し、シリコーングリースを介して冷却コイルにより配管３４Ｂの熱を効率良く吸熱できるように構成されている。また、上記温度調整部材３９Ａは、例えば図６に示すように毛細管を多数本束ねたものや、図示してないが通気自在に形成された多孔質体などによって構成することができる。この温度調整部材３９Ａは耐食性、耐発塵性の材料、例えば配管３４Ｂと同様の材料あるいは石英などによって形成されたものが好ましい。
【００４５】
従って、第１、第２ガス供給手段３４、３５は、ボンベ３４Ａ、３５Ａから配管３４Ｂ、３５Ｂを介してマスフローコントローラ３４Ｃ、３５Ｃによってそれぞれ所定のガス流量に制御された窒素ガスと酸素ガスを供給し、それぞれのガスの圧力を可変バルブ３４Ｄ、３５Ｄ及び圧力計３４Ｅ、３５Ｅにより一定に維持する。所定圧のヘリウムガスは第１、第２ガス通路３２、３３の第１、第２開口部３７、３８を介して下部電極３１と半導体ウエハ３間の細隙へ流通する。そして、例えば、第１ガス通路３２に到達する窒素ガスは、第１温度調整機構３９によって例えば室温より低い温度である＋１５℃に温度調整され、また、第２ガス通路３３に到達する酸素ガスは、第２温度調整機構４０によって例えば室温より高い温度である＋３７℃に温度調整され、下部電極３１の第１開口部３７及び第２開口部３８から供給された窒素ガスにより半導体ウエハ３を裏面から直接温度調整して半導体ウエハ３全面を例えば５℃に均等に設定する。この場合、窒素ガスは下部電極３１から半導体ウエハ３への熱伝達媒体としての機能よりもむしろ半導体ウエハ３を直接昇温させたり、降温させたりする温度調整機能が優先する。
【００４６】
次に、動作について説明する。まず、本実施形態のエッチング装置を用いてエッチング処理を行なう場合には、処理すべき半導体ウエハ３のエッチング処理に先立って、第１、第２ガス供給手段３４、３５から供給する窒素ガス及び酸素ガスガスの温度を第１、第２温度調整機構３９、４０を用いてそれぞれ所定の温度（調整温度が両者で同一温度の場合もあれば、温度差がある場合もある）に設定する。次いで、本実施形態の処理方法ではモニター用半導体ウエハ３を下部電極３上に載置した状態で、第１ガス供給手段３４から一定流量の窒素ガスを第１ガス通路３２へ供給し、その第１開口部３７からモニター用半導体ウエハ３と下部電極３間に窒素ガスを供給する。これと同時に第２ガス供給手段３５からも一定流量の酸素ガスを第２ガス通路３３の第２開口部３８を介して供給する。
【００４７】
これらの窒素ガス、酸素ガスによりモニター用半導体ウエハ３の冷却ムラを上記実施形態で説明したように抑制できるが、依然としてモニター用半導体ウエハ３全面を均一に冷却することが困難な場合がある。その場合にはモニター用半導体ウエハ３の温度分布を例えば赤外線温度センサによりモニターしながら、マスフローコントローラ３４Ｃ、３５Ｃを用いて第１、第２ガス供給手段３４、３５からそれぞれ供給する窒素ガス、酸素ガスの流量を個別に調整し、あるいは第１、第２温度調整機構３９、４０を用いて窒素ガス、酸素ガスの温度を調整する。そして、それぞれの圧力及び温度における窒素ガスと酸素ガスの吸熱反応により半導体ウエハ３から積極的に熱を奪い、温度を迅速に下げた時の半導体ウエハ３全面の温度が例えば略５℃になる流量あるいは温度を探す。この際、半導体ウエハ３の温度が高い部分と低い部分との温度差が大きい時には、可変バルブ３４Ｄまたは３５Ｄよりガス圧力を高めて熱伝達率を大きくするか、あるいは第１、第２温度調整機構３９、４０により窒素ガス、酸素ガスの温度をそれぞれ調整するなどして、短時間で温度を平均化することができる。そして、全面が均一な温度になった時点での窒素ガスと酸素ガスそれぞれの流量及び第１、第２温度調整機構３９、４０による窒素ガス、酸素ガスの調整温度の設定条件を図示しない制御装置の記憶装置に設定登録しておく。このようにして半導体ウエハ３表面の温度を略均一にした後、エッチング処理を開始する。
【００４８】
エッチング処理を行なう場合にはまず、下部電極３１上に処理すべき半導体ウエハ３を載置した状態で上部電極からエッチングガスとして、例えば、トリフルオロエタン（ＣＨＦ３）と一酸化炭素（ＣＯ）の混合ガス（混合比：ＣＨＦ３／ＣＯ＝４５／１５５）を例えば２００ｓｃｃｍの流量で処理室１内へ供給し、エッチングガスのガス圧力を例えば４×１０−２Torrの真空度に設定する。次いで、下部電極３１に１３.５６ＭＨzの高周波電圧を１４５０Ｗで印加しエッチングガスを介して下部電極３１と上部電極（図４では図示せず）間で真空放電させるとこれら両者間でエッチングガスがプラズマ化し、主としてその反応性イオンによって半導体ウエハ３に異方性エッチングを施す。このエッチングにより半導体ウエハ３の温度が上昇するが、下部電極３１内の冷媒通路３７を流通する液化窒素により下部電極３１を冷却しているため、この下部電極３１を介して半導体ウエハ３を冷却してその温度上昇を抑制する。
【００４９】
更に、本実施形態では、第１、第２開口部３７、３８から供給される窒素ガスと酸素ガスは上部電極３１から半導体ウエハ３への熱伝達率を高めるだけでなく、同一または異なった温度（あるいは同一温度）に調整された窒素ガスと酸素ガスにより半導体ウエハ３外周縁部及びその内側で熱を付与しあるいは熱を奪ってそれぞれの部分の温度を積極的に所定の温度である５℃に調整する。より具体的には、半導体ウエハ３の温度が５℃より高い外周縁部には大きな流量で窒素ガスを供給してガス圧力を高くして熱伝達率を上げると共に酸素ガスとの吸熱反応により冷却効率を高めてその部分の温度を５℃まで下げ、半導体ウエハ３の設定温度である５℃より内側部分には小さな流量で酸素ガスを供給して低いガス圧力で冷却効率を外周縁部よりも低下させてその部分の温度を５℃まで上げて半導体ウエハ３全面の温度を５℃に平均化する。また、場合によっては第１、第２温度調整機構３９、４０により第１、第２開口部３７、３８からそれぞれ供給する窒素ガスと酸素ガスの温度を調整して半導体ウエハ３全面の温度を５℃に平均化する。この吸熱反応を用いる方法は、第１開口部３７と第２開口部３８の間で周囲より高い温度分布を示す場合に有効である。
【００５０】
以上説明したように本実施形態によれば、下部電極３１内に第１、第２ガス通路３２、３３を設けると共に第１、第２ガス通路３２、３３を第１、第２開口部３７、３８を介して下部電極３１上面の外周縁部及びその内側の複数箇所でそれぞれ開口させ、例えば窒素ガスと酸素ガスを第１、第２ガス供給手段３４、３５から第１、第２ガス通路３２、３３へ個別に供給し、これらのガスを第１、第２ガス通路３２、３３を経由させて第１、第２開口部３７、３８を介して下部電極３１上面の外周縁部及びその内側の複数箇所から個別に半導体ウエハ３と下部電極３１間の細隙に行き渡らせるようにしたため、窒素ガスと酸素ガスにより半導体ウエハ３と下部電極３１間の熱伝達率が高まると共に、半導体ウエハ３の温度の高い部分では窒素ガスまたは酸素ガスの流量を高くしてその温度を低下させ、温度の低い部分では窒素ガスまたは酸素ガスの流量を低くしてその温度を高くすることにより半導体ウエハ３全面の温度を均一化することができ、延いては半導体ウエハ３面内での温度分布を解消して半導体ウエハ３全面に均一なエッチングを施すことができる。また、窒素ガス、酸素ガス流量の調整だけでは半導体ウエハ３の温度を迅速に温度調整できない場合には第１、第２温度調整機構３９、４０を用いることにより迅速に半導体ウエハ３の温度を均一化することができる。従って、本実施形態のエッチング装置及びプラズマ処理方法は、半導体ウエハ３の中心を通る断面において例えば外周縁部の温度が高くその内側の温度が低い、温度分布を呈する場合にでも下部電極３１上に載置された半導体ウエハ３を予め温度調整してその全面の温度を均一にした後、本来の処理を行なうようにしたため、本来の処理時には被処理体の面内での温度分布を確実に抑制することができ、安定したエッチングを施すことができる。
【００５１】
尚、上記実施形態では吸熱反応する熱伝導性ガス（反応性ガス）として窒素ガスと酸素ガスを例に挙げて説明したが、窒素ガスと水素ガス等の吸熱反応するその他のガスの組み合わせを用いることもできる。また、発熱反応するガスの組み合わせは半導体ウエハを加熱する必要のあるＣＶＤ装置等で好ましく用いることができる。半導体ウエハ３を静電チャック８により下部電極４上に固定する場合について説明したが、半導体ウエハ３をクランプによって固定するようにしたものであっても良い。また、実施形態ではそれぞれの下部電極を示す図において静電チャックを省略して説明したが、これら実施形態でも実施形態と同様に静電チャックが設けられており、これらの静電チャックにはそれぞれの下部電極３１、５１の開口部に対応した孔が設けられている。また、上記各実施形態では、上下で対をなす上部電極及び下部電極を例に挙げて説明した、本発明における第１、第２電極は上下で対向する以外にも左右で対向する電極対についても適用することができる。また、上記各実施形態ではエッチング装置を例に挙げて説明したが、本発明の処理装置はエッチング装置に制限されるものでなく、その他のプラスマＣＶＤ装置、プラスマアッシング装置等の処理装置についても同様に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の請求項１〜請求項１７に記載の発明によれば、被処理体とこれを保持する支持体間の接触不良による冷却ムラや加熱ムラを効率良く抑制し、被処理体の面内での温度分布を抑制し、安定したプラズマ処理を短時間で施すことができる処理装置及び処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す処理装置から取り出した下部電極の上方からの平面図である。
【図３】図２に示す下部電極の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の処理装置の他の実施形態の下部電極の構成を示す概念図である。
【図５】図４に示す下部電極の上方からの平面図である。
【図６】図４に示す処理装置に用いられる温度調整機構の構成の一部を示す配管の断面斜視図である。
【符号の説明】
１ 処理室
３ 半導体ウエハ（被処理体）
４、３１、５１ 下部電極（支持体）
７ 高周波電源
１５、３２、５２ 第１ガス通路
１６、３３、５３ 第２ガス通路
１７ 第１ガス給排手段（ガス供給手段）
１７Ｂ、１８Ｂ マスフローコントローラ（供給量制御手段）
１７Ｃ、１８Ｃ 可変バルブ（排気量制御手段）
１７Ｄ、１８Ｄ、３４Ｅ、３５Ｅ 圧力計（圧力検出手段）
１８ 第２ガス給排手段（ガス供給手段）
１８Ｄ 圧力計（圧力検出手段）
１９ 第１開口部（開口）
２０ 第２開口部（開口）
３４ 第１ガス供給手段
３５ 第２ガス供給手段
３９、４０ 温度調整機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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