(57)【要約】【課題】    試料と溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定することにより試料を正確に所定の温度に制御する。【解決手段】  内部に冷媒を流す冷媒通路を形成した基材１と、前記基材表面に形成した溶射膜２上に形成した伝熱ガス供給溝と、前記基材内に形成されて前記伝熱ガス供給溝と連通する伝熱ガス通路５を備え、前記溶射膜の伝熱ガス供給溝形成面に載置された試料を静電吸着して保持するプラズマ処理装置の試料載置電極において、 前記基材内に形成した伝熱ガス通路５に連接して伝熱ガスの圧力を測定する圧力計１０を前記基材１内に備えた。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒を流す冷媒通路を形成した基材と、
前記基材表面に形成した溶射膜上に形成した伝熱ガス供給溝と、
前記基材内に形成されて前記伝熱ガス供給溝と連通する伝熱ガス通路を備え、
前記溶射膜の伝熱ガス供給溝形成面に載置された試料を静電吸着して保持するプラズマ処理装置の試料載置電極において、
前記基材内に形成した伝熱ガス通路に連接して伝熱ガスの圧力を測定する圧力計を前記基材内に備えたことを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置の試料載置電極において、
前記圧力計は、伝熱ガスの圧力による粘性の変化をもとに圧力を測定する圧力計であることを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置の試料載置電極において、
前記圧力計は、水晶振動子の共振インピーダンスの変化をもとに圧力を測定する水晶摩擦真空計であることを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマ処理装置の試料載置電極において、
伝熱ガス供給溝及び該伝熱ガス供給溝に伝熱ガスを供給する伝熱ガス通路は、それぞれ複数系統備え、各系統にそれぞれ異なる圧力の伝熱ガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１記載のプラズマ処理装置の試料載置電極において、
圧力計で測定したガス圧力をもとに、伝熱ガス供給溝に供給する伝熱ガスの圧力を調整して試料の温度を制御することを特徴とするプラズマ処理装置の試料載置電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置の試料載置電極に係り、特に試料載置面に供給する伝熱ガスの圧力を正確に測定することのできるプラズマ処理装置の試料載置電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスでは、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置としては種々の方式の装置が使用されている。このようなプラズマ処理装置は、一般的には、真空容器、これに接続されたガス供給系、処理室内圧力を所定の値に保持する排気系、基板を載置する載置電極、真空容器内にプラズマを発生させるためのアンテナ、真空容器内へ処理ガスを均等に供給するためのシャワープレートなどから構成される。
【０００３】
前記アンテナに高周波電力を供給することにより、シャワープレートから処理室内に供給した処理ガスを解離してプラズマを発生し、これにより載置電極上に設置されたウエハのエッチングが進行する。
【０００４】
所望のエッチング性能を確保するためには、プラズマの分布や組成、密度など多数のパラメータの制御が必要であるが、その中のひとつとしてウエハ温度制御がある。ウエハ温度を制御するためには、ウエハ載置電極内に設けた冷媒溝に流す冷媒の温度を制御する方法、載置電極上の溶射膜に静電吸着したウエハと溶射膜間に流す伝熱ガスの圧力を制御する方法がある。
【０００５】
ウエハ載置電極内に設けた冷媒溝に流す冷媒の温度を制御する方法は、比較的長時間にわたる温度制御には有効である。しかし、短時間のうちに冷媒温度、さらにはウエハ温度を制御するのには適していない。また、ウエハと溶射膜間に流す伝熱ガスの圧力を制御する方法は、短時間で圧力を昇圧あるいは減圧させることで、ウエハ温度を変化させることができる。このため、プロセスにあわせてウエハ温度を所望の温度に速やかに制御することが可能になる。
【０００６】
プロセスにあわせてウエハ温度を所望の温度に制御するためには、ウエハと溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定し、その値をフィードバックすることが必要である。例えば、伝熱ガス（冷却ガス）を圧力計で計測し、伝熱ガスが所定の圧力になるようにマスフローコントローラを制御して、前記ウエハと溶射膜間の伝熱ガスの圧力を所望の圧力に制御している（特許文献１参照）。
【０００７】
ここで用いられている圧力計は、隔膜真空計（ダイアフラム真空計）が一般に使用される。隔膜真空計は、薄い金属膜を用い、この金属膜が圧力によって僅かに変形する際の静電容量の変化から圧力を求める真空計である。この真空系は測定精度が優れているという長所がある。しかしながら外部振動の影響を受けやすいという短所がある。このため、冷媒が流れていて常に振動しているウエハ載置用電極では使用することができない。従って、前記特許文献１に示される技術では、真空処理装置の外側で伝熱ガスの圧力を測定せざるを得ないことになる。
【特許文献１】特開平９−３１２２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、実際に圧力の測定を要する場所はウエハ等の試料と溶射膜間の圧力である。このため、前記特許文献１に示されるように、載置電極から離れた位置で圧力を測定すると誤差が生じることになる。この誤差により、試料と溶射膜間の圧力を所定の圧力に制御することができず、この結果として試料温度を所定の温度に制御できないことになる。
【０００９】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、試料と溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定し、これにより試料を所定の温度に制御することが可能な試料載置電極を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１１】
内部に冷媒を流す冷媒通路を形成した基材と、前記基材表面に形成した溶射膜上に形成した伝熱ガス供給溝と、前記基材内に形成されて前記伝熱ガス供給溝と連通する伝熱ガス通路を備え、前記溶射膜の伝熱ガス供給溝形成面に載置された試料を静電吸着して保持するプラズマ処理装置の試料載置電極において、 前記基材内に形成した伝熱ガス通路に連接して伝熱ガスの圧力を測定する圧力計を前記基材内に備えた。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上の構成を備えるため、試料と溶射膜間の伝熱ガスの圧力を正確に測定し、これにより試料を所定の温度に制御することが可能な試料載置電極を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る試料載置電極を説明する図である。試料載置電極は、電極の構造体となる基材１、アルミナ製の溶射膜２、温度調整用の冷媒が流れる冷媒通路３、溶射膜に静電吸着可能された試料４、基材１内に形成され伝熱ガスを試料４と溶射膜２の間に形成した例えば溝状の伝熱空間（伝熱ガス供給溝）に供給する伝熱ガス通路５、伝熱ガスの噴出口２１，２２，２３、伝導ガス通路５に伝導ガスを供給するガス供給管１３、伝熱ガス（ヘリウム）を供給するヘリウムガスボンベ６、伝熱ガスの流量を制御するマスフローコントローラ７、ガス供給管１３内を排気するポンプ８、所定の温度に温度調整された冷媒を冷媒通路３に循環して供給するサーキュレータ９、伝熱ガスの圧力を測定する圧力計１０、１１を備える。  圧力計１０、１１、マスフローコントローラ７、ポンプ８、バルブ１２は、図示していないコントローラと接続され、圧力計１０、１１が所定の圧力を示すようにガス通路の圧力を制御することが可能である。なお、図示していないが、図１に示す試料載置電極はプラズマエッチング処理装置内に設置される。
【００１４】
処理に際しては、図示しない搬送装置によりプラズマエッチング処理室内に搬送された試料を溶射膜２の上に載置する。処理室内圧力を所定の圧力に調整したのち、処理室内にプラズマを発生させる。次いで、図示しない試料バイアス供給棒を介して試料にバイアス電圧を印加して、試料を溶射膜２に静電吸着させる。
【００１５】
試料４と溶射膜２間の圧力を示す圧力計１１が１．５ｋＰａになるようにマスフローコントローラ７を制御してガス流量を制御する。なお、この圧力制御に際しては、必要に応じて排気ポンプ８を起動してバルブ１２で排気流量を制御する。ガスボンベ６には伝熱ガス（冷却用ガス）としてヘリウムガスが充填されているため、試料４と溶射膜２間にはガス噴出口２１，２２，２３を通して噴出するヘリウムガスで満たされる。
【００１６】
また、サーキュレータ９により２０℃に制御した冷媒を、１０Ｌ／ｍｉｎの流量で冷媒通路３に供給する。なお、圧力計は、この流路では使用しない。
【００１７】
この状態は、試料載置電極を構成する基材１の外に設置した圧力計１１により試料４と溶射膜２間の圧力を測定している状態である。なお、圧力計１１は隔膜圧力計とする。
【００１８】
このとき圧力計１１は１．５ｋＰａを示しているが、この圧力はあくまで圧力計１１で測定した圧力であり、実際に圧力を測定したい試料４と溶射膜２間の伝熱ガスの圧力ではない。すなわち、圧力計１１と、試料４と溶射膜２間はガス供給管１３及び伝導ガス通路５を介して接続されているが、これらのガス通路にはコンダクタンスがある。このため圧力計１１が示す圧力は、試料４と溶射膜２間の伝熱ガスの圧力とは一致しない。したがって圧力計１１で、試料４と溶射膜２間の圧力を正確に測定することは困難である。しかし、基材１内部に圧力計１０を配置し、この圧力計を用いることにより、試料４と溶射膜２間の伝熱ガスの圧力を正確に測定することができる。
【００１９】
図２は、基材内部に配置した圧力計近傍の詳細を説明する図である。図に示すように、圧力計１０は、機材１内に形成した圧力測定室２０の内部に設置されている。また、圧力測定室はガス供給管５と連通し、圧力測定室２０の内壁は例えばアルミナなどの絶縁物で覆われている。また、圧力計１０及び圧力計１０と図示しないコントローラを接続する同軸ケーブル等のケーブル２２は金属製の接地されたカバー２１で被覆する。なお、接地されている金属製のカバー２１の外側はアルミナ等の絶縁物で覆われている。
【００２０】
圧力計１０は、試料４と溶射膜２間に形成される伝熱空間に近接している。このため、試料４と溶射膜２間の伝熱ガスの圧力は圧力計１０で正確に測定することができる。また、この測定値をもとにマスフローコントローラ７、バルブ１２等を制御することにより、試料４と溶射膜２間の伝熱空間を所定の圧力に正確に制御することができる。このため、試料４を所望の温度に制御可能となり、エッチング性能の向上に大きく貢献することができる。
【００２１】
なお、圧力計１０として、伝熱ガスの粘性の変化から圧力を求める圧力計、例えば水晶摩擦真空計、スピニングローターゲージを用いることができる。圧力計１０として例えば隔膜真空計を用いた場合には、サーキュレータ９により循環される循環の振動により正確な圧力を測定できない場合がある。また、圧力計自体も大きく、基材１への取付は困難である。また圧力計１０として熱伝導の変化を利用する例えばピラニ真空計を用いると、エッチングに使用する腐食性のガスにより真空計を構成するフィラメントが劣化する可能性がある。これに対して、本実施形態のように伝熱ガスの粘性の変化から圧力を求める圧力計を採用する場合には、上記の問題がないため、圧力を長期間にわたって正確かつ容易に測定することができる。
【００２２】
図３は、基材１内に配置した圧力計１０の測定値をもとに行うウエハの温度制御の例を説明する図である。
【００２３】
この図の例としては、圧力計１０として伝熱ガスの粘性の変化による音叉型水晶振動子の共振状態の変化から圧力を求める水晶摩擦真空計を用いる。水晶摩擦真空計の圧力測定可能範囲は１〜１００ｋＰａであり、広い圧力範囲に渡って圧力の測定が可能である。
【００２４】
図３は、プラズマ処理装置の放電時間と、プラズマ処理装置を構成する処理室内に配置した試料４と溶射膜２間の伝熱ガスの圧力、及び試料４の表面温度を示した図である。図１には明示していないが、処理室内にはプラズマが存在している。このときの処理条件は、例えば、ＵＨＦ出力は１０００Ｗ、試料バイアスは１５００Ｗ、処理ガスはＣＦ４が１００ｓｃｃｍである。また、処理室内圧力は３Ｐａ、冷媒設定温度は２０℃である。
【００２５】
図３に示すように、放電時間が０〜１０秒までは試料４と溶射膜２間の伝熱ガス（ヘリウム）の圧力を１．０ｋＰａに制御する。圧力の制御方法としては、図示しないコントローラにより、圧力計１０の測定値が所定値、この例の場合は１．０ｋＰａになるように、マスフローコントローラ７、排気ポンプ８、バルブ１２を制御する。このとき、試料４の温度は４０℃となる。
【００２６】
放電時間が１０秒になると、エッチング速度を高くするために試料４の温度を高くしたい。そこで試料４と溶射膜２間の伝熱ガスの圧力を０．５ｋＰａまで低くする。すると、試料４の温度は５０℃まで上昇する。放電時間が２０秒になるまで、この状態を保持する。放電時間が２０秒になると、エッチング速度を低くするために試料４の温度を低くしたい。そこで試料４と溶射膜２間の圧力を１．５ｋＰａまで高くする。すると試料４の温度は３０℃まで低下する。放電時間が２５秒になるまでこの状態を保持する。
【００２７】
このように試料４と溶射膜２間の圧力を変化させることで、試料を所望の温度にすることができるため、所望のプロセスを構築することが可能となる。なお、前述のように圧力計１０として、ガスの粘性の変化から圧力を求める水晶摩擦真空計を用いると、プラズマ放電中、あるいは試料バイアス印加中でも高周波の影響を受けることなく、圧力を正確に測定することができる。
【００２８】
図４は、本発明の他の実施形態に係る試料載置電極を説明する図である。図４に示す試料載置電極の構造は、基本的には図１に示す試料載置電極と同じであるが、伝熱空間（伝熱ガス供給溝）及び該伝熱空間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス通路を複数備え、各伝熱空間における伝熱ガスの圧力を個別に測定して制御できる構造となっている。
【００２９】
すなわち、図４においては、基材１のガス噴出口３３よりも外周側では圧力Ａのガスが噴出し、ガス噴出口３２よりも内周側では圧力Ｂのガスが噴出するように、試料面内に２種類の圧力の伝熱ガスを供給できる構造としている。
【００３０】
例えば、ガス噴出口３３から外周側の圧力を２．０ｋＰａに制御したい場合、試料４を溶射膜２に静電吸着している状態で、ガスボンベ６ａからマスフローコントローラ７ａを介して試料４と溶射膜２間のガス噴出口３３、３４近傍の外周側領域に伝熱ガス（ヘリウム）を供給する。また、必要に応じて真空ポンプ８ａ、バルブ１２ａを制御してガス噴出口３３，３４から外周側の圧力を制御する。同様に、ガス噴出口３２から内周側の圧力を制御する場合は、ガスボンベ６ｂからマスフローコントローラ７ｂを介して試料４と溶射膜２間のガス噴出口１，３２近傍の内周側領域に伝熱ガス（ヘリウム）を供給する。また、必要に応じて真空ポンプ８ｂ、バルブ１２ｂを制御してガス噴出口３１，３２から内周側の圧力を制御する。
【００３１】
図５は、基材１内の内周側及び外周側にそれぞれ配置した圧力計１０ａ、１０ｂの測定値をもとに行うウエハの温度制御の例を説明する図であり、図５（ａ）は外周側、図５（ｂ）は内周側における制御値を示している。
【００３２】
図５に示すように、放電時間が５秒までは、試料４と溶射膜２間の伝熱空間の全面に渡って伝熱ガス（ヘリウム）の圧力は１．０ｋＰａでり、このときの試料４の温度は４０℃である。放電時間が５秒になると、ガス噴出口３３より外周側の圧力を０．５ｋＰａに低下させる。するとガス噴出口３３より外周側の試料４の温度は５０℃まで上昇する。ガス噴出口３２より内周側は、圧力変化がないため試料温度は一定である。
【００３３】
放電時間１０秒で、今度はガス噴出口３２より内周側の圧力を０．５ｋＰａに低下させると、これに応じてガス噴出口３２より内周側の試料４の温度は５０℃まで上昇する。放電時間２０秒において、ガス噴出口３２より内周側の圧力を１．５ｋＰａに、また、ガス噴出口３３より外周側の圧力を２．０ｋＰａにすると、試料４の温度はそれぞれの領域で３０℃、２７℃となる。
【００３４】
この例では試料と溶射膜間の領域を二つの領域に分割して制御したが、さらに多くの領域に分割して制御することができる。試料と溶射膜間の領域を分割して、それぞれの領域毎に制御することにより、試料温度分布を所望の温度分布に制御することができる。また、試料載置電極の基材内に圧力計、特に水晶摩擦真空計を設けて、試料と溶射膜間の圧力を正確に測定し制御することにより、試料の温度分布を正確に制御することできる。また、試料と溶射膜間の伝熱ガスとしてヘリウムガスを用いたが、そのほかのガス、例えばアルゴンガスなどを用いることも可能である。
【００３５】
以上、ドライエッチング装置を例に説明したが、各種の放電（ＵＨＦ−ＥＣＲ方式、容量結合放電、誘導結合放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、ＴＣＰ放電等）を用いたドライエッチング装置において同様の作用効果を得ることができる。さらに他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置においても同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る試料載置電極を説明する図である。
【図２】基材内部に配置した圧力計近傍の詳細を説明する図である。
【図３】基材内に配置した圧力計の測定値をもとに行うウエハの温度制御の例を説明する図である。
【図４】他の実施形態に係る試料載置電極を説明する図である。
【図５】基材内の内周側及び外周側にそれぞれ配置した圧力計の測定値をもとに行うウエハの温度制御の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  基材
２  溶射膜
３  冷媒通路
４  試料
５  ５ａ  ５ｂ  伝導ガス通路
６  ６ａ  ６ｂ  ガスボンベ
７  ７ａ  ７ｂ  マスフローコントローラ
８  ８ａ  ８ｂ  真空ポンプ
９  サーキュレータ
１０  １０ａ  １０ｂ  圧力計
１１  圧力計
１２  １２ａ  １２ｂ  バルブ  
１３，１３ａ  １３ｂ  ガス供給管
２０  圧力測定室
２１  カバー
２２  ケーブル  
２１，２２，２３  ガス噴出口
３１  ３２  ３３  ３４  ガス噴出口
【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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