(57)【要約】【課題】伝熱ガスとしてのヘリウムガスの絶縁破壊を防止し、信頼性の高いウエハ載置電極を提供する。【解決手段】内部に温度調整用の媒体を通流させるための流路を形成した電極本体１と、  前記電極本体のウエハ載置面に形成した誘電体膜２と、該誘電体膜と該誘電体膜上に載置された試料３により形成される空隙に伝熱ガスを前記電極本体内を貫通して供給するガス導入路１０を備え、前記誘電体膜上に載置したウエハを真空容器内に配置して該真空容器内に生成されたプラズマによりプラズマ処理を施すウエハ載置用電極において、前記ガス導入路の前記ウエハ載置面に垂直に臨む部分は、複数の円筒状の貫通孔を備えたガス導入管５からなり、前記ガス導入管に形成した貫通孔の内径は、前記貫通孔内に放出された二次電子の貫通孔壁への衝突による電子なだれが発生しない値以下に設定した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に温度調整用の媒体を通流させるための流路を形成した電極本体と、
前記電極本体のウエハ載置面に形成した誘電体膜と、
該誘電体膜と該誘電体膜上に載置された試料により形成される空隙に伝熱ガスを前記電極本体内を貫通して供給するガス導入路を備え、
前記誘電体膜上に載置したウエハを真空容器内に配置して該真空容器内に生成されたプラズマによりプラズマ処理を施すウエハ載置用電極において、
前記ガス導入路の前記ウエハ載置面に臨む部分は、複数の円筒状の貫通孔を備えたガス導入管からなり、前記ガス導入管に形成した貫通孔の内径は、前記貫通孔内に放出された二次電子の貫通孔壁への衝突による電子なだれが発生しない値以下に設定したことを特徴とするウエハ載置用電極。
【請求項２】
請求項１記載のウエハ載置電極において、
内径Ｄ［ｍｍ］は、Ｄ≦１．５／Ｖｓ（Ｖｓは電極本体に印加される電圧［ｋＶ］）であることを特徴とするウエハ載置用電極。
【請求項３】
内部に温度調整用の媒体を通流させるための流路を形成した電極本体と、
前記電極本体のウエハ載置面に形成した誘電体膜と、
該誘電体膜と該誘電体膜上に載置された試料により形成される空隙に伝熱ガスを前記電極本体内を貫通して供給するガス導入路を備え、
前記誘電体膜上に載置したウエハを真空容器内に配置して該真空容器内に生成されたプラズマによりプラズマ処理を施すウエハ載置用電極において、
前記ガス導入路の前記ウエハ載置面に臨む部分は、複数の小径の導入管および該小径の導入管を収容した大径の導入管からなり、前記小径の導入管の内径は、管内に放出された二次電子の管壁への衝突による電子なだれが発生しない値以下に設定したことを特徴とするウエハ載置用電極。
【請求項４】
請求項３記載のウエハ載置電極において、
内径Ｄ［ｍｍ］は、Ｄ≦１．５／Ｖｓ（Ｖｓは電極本体に印加される電圧［ｋＶ］）であることを特徴とするウエハ載置用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ載置用電極に係り、特に、電極内に形成したガス導入路内における放電の発生を抑制することのできるウエハ載置電極に関する。
【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る。ドライエッチングを行うプラズマ処理装置は、処理室を形成する真空容器、該真空容器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ガス排気系、ウエハを静電吸着して固定するウエハ載置電極、真空容器内にプラズマを生成するアンテナなどから構成される。
【０００３】
真空容器内には、例えばハロゲンガスを主成分とした混合ガスを供給し、供給された混合ガスを放電によってプラズマ化し、これによって発生した各種活性種を用いて、前記載置電極上に固定したウエハにドライエッチングを施す。
【０００４】
所望のエッチング性能を確保するために、種々のパラメータを制御する必要がある。パラメータのひとつとしてウエハ温度の制御がある。ウエハの温度制御に際しては、ウエハを載置したウエハ載置電極に高電圧を印加し、ウエハ載置電極上の誘電体上にウエハを静電吸着させる。このときウエハと誘電体間に所定圧力のヘリウムガスを導入し、ウエハ温度を制御する方法が一般的に使用されている。
【０００５】
図２は、従来のウエハ載置電極の例を示す図であり、ウエハは静電吸着力により載置電極上に固定されている。図２において、１は載置電極本体、２はアルミナなどの誘電体、３は被処理基板であるウエハ、４は電極本体１を冷却するための冷媒溝、６は誘電体に静電吸着力を発生させるための直流電源、７はガス導入路１０内の圧力を測定する圧力計、８はガス導入路に流れるガス流量を制御するマスフローコントローラ、９はヘリウムガスボンベ、１０はウエハと誘電体間にヘリウムガスを導入するためのガス導入路、１１はガス導入路１０の吐き出し部であり、ウエハ３と誘電体２の間に伝熱ガスであるヘリウムを供給する。ガス導入路は絶縁物製である。なお、ウエハ載置電極はプラズマエッチング装置内に設置される。
【０００６】
図２のウエハ載置電極本体１にウエハ３を静電吸着させる際には、直流電源６を用いて電極本体１に負の高電圧を印加する。また、ウエハ３を誘電体２を介して吸着した状態で、ガス導入路１０を通してヘリウムガスをウエハ３と誘電体２の間に供給し、さらに、冷媒溝４に冷媒を供給する。
【０００７】
このとき、冷媒溝に流す冷媒の温度、あるいはウエハ３と誘電体２の間に供給するヘリウムガス圧力を制御することにより、ウエハ３の温度を最適に制御することができる。
【０００８】
しかしながら、ヘリウムガスの絶縁耐電圧は小さいため、電極本体１に印加した負の高電圧により放電を起こして絶縁破壊することがある。また、前記負の高電圧では放電を起こさない場合においても、ウエハ３を処理するために電極本体１に印加する高周波電力によって生じるセルフバイアス電圧が大きくなることにより放電し、同じく絶縁破壊することがある。
【０００９】
特許文献１には、このような場合における対策として、ウエハ３と誘電体２の間に導入するガス（伝熱ガス）として、ヘリウムガスおよび絶縁破壊電圧が高いガス（六フッ化硫黄）の混合ガスを用いることが示されている。
【特許文献１】特開平７−１６１６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記伝熱ガスとして、複数のガスを用いることはコスト高になる。また、パラメータが多くなるため制御が難しくなる。さらに、ウエハ３と誘電体２の間に導入した前記伝熱ガスの一部は、エッチングプロセスで重要なプラズマ空間に放出されることになるため、ヘリウム以外のガスを用いる場合はエッチング性能への影響は不可避である。
【００１１】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、伝熱ガスの絶縁破壊を防止し、信頼性の高いウエハ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】
【００１２】
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。
【００１３】
内部に温度調整用の媒体を通流させるための流路を形成した電極本体と、前記電極本体のウエハ載置面に形成した誘電体膜と、該誘電体膜と該誘電体膜上に載置された試料により形成される空隙に伝熱ガスを前記電極本体内を貫通して供給するガス導入路を備え、前記誘電体膜上に載置したウエハを真空容器内に配置して該真空容器内に生成されたプラズマによりプラズマ処理を施すウエハ載置用電極において、前記ガス導入路の前記ウエハ載置面に垂直に臨む部分は、複数の円筒状の貫通孔を備えたガス導入管からなり、前記ガス導入管に形成した貫通孔の内径は、前記貫通孔内に放出された二次電子の貫通孔壁への衝突による電子なだれが発生しない値以下に設定した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以上の構成を備えるため、伝熱ガスの絶縁破壊を防止し、信頼性の高いウエハ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】
【００１５】
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、本発明の第１の実施形態にかかるウエハ載置電極を説明する図である。図１において１は載置電極本体、２はアルミナなどの誘電体、３は被処理基板であるウエハ、４は載置電極本体を冷却するための冷媒溝、５はウエハと誘電体２間にガスを導入するガス導入管、６は誘電体に静電吸着力を発生させるための直流電源、７はガス導入路内の圧力を測定する圧力計、８はガス導入管に流れるガス流量を制御するマスフローコントローラ、９はヘリウムガスボンベ、１０はウエハと誘電体間にヘリウムガスを導入するためのガス導入路である。なお、ガス導入管５を含むガス導入路１０は絶縁物製である。また、図１には示していないが、ウエハ載置電極本体はプラズマエッチング装置内に設置される。
【００１６】
図３は、ガス導入管５の詳細を説明する図である。図３に示すように、ガス導入管５は直径１．４ｍｍ、長さ５０ｍｍのアルミナ製のパイプであり、直径０．３ｍｍ、長さ５０ｍｍの貫通孔１２を７本備えている。すなわち、一本のガス導入管は複数本（７本）のガス通流領域を備えている。なお、ガス導入管はセラミックス、樹脂等で製作することができる。
【００１７】
このように形成されたガス導入管（パイプ）を、例えば、図１の上方から前記ガス導入路１０の前記ウエハ載置面に垂直に臨む部分に埋め込むことにより、ガス導入管５を含むガス導入路が形成される。
【００１８】
プラズマエッチングに際しては、処理室内に電極本体を配置し、搬送されたウエハ３を誘電体２の上に設置し、処理室内を所定の圧力に調圧した後、処理室内プラズマを発生させる。また、直流電源６によって電極本体１に高電圧を印加することにより、ウエハ３を誘電体膜２に静電吸着する。
【００１９】
ウエハ３と誘電体２が静電吸着している状態で、ヘリウムガスボンベ９から所定圧力のヘリウムガスをガス導入路１０、および前記ガス導入管５を通して、ウエハ３と誘電体２の間に形成される空隙に供給する。さらに図示しない高周波電源からの高周波電力を電極本体１に供給して、ウエハ３をエッチングをする。
【００２０】
このとき、ガス導入管５の内部には、（１）ウエハ３を誘電体２に静電吸着させるための吸着用直流電圧による電界、（２）ウエハ３をエッチングするための高周波電力によるセルフバイアス電圧による電界、の双方が印加されている。このため、ガス導入管５の内部はヘリウムガスの絶縁破壊が起こりやすい状態にある。
【００２１】
しかし、ガス導入管５は、前述のように、７本の細い孔（直径０．３ｍｍ、長さ５０ｍｍ）で形成されているため、絶縁破壊は起こりにくい。その理由は、ガス導入管内から放出された電子の動きに関係していると考えられる。
【００２２】
すなわち、ガス導入管の貫通孔沿面から放出された電子は、前記電界により加速され、ガス導入管内の沿面に衝突して二次電子を放出させる。放出された二次電子の一部はさらにガス導入管内の沿面に衝突して三次電子を放出させる。このようなプロセスの連続によってガス導入管沿面は二次電子なだれを生じ、絶縁破壊に至る。
【００２３】
ガス導入管内径が大きい場合、上述のような過程で絶縁破壊が生じる。しかし、ガス導入管の貫通孔の内径が小さい場合、放出された二次電子が十分に加速されてエネルギーを得る前に反対側の内面に衝突するため、三次電子が放出される可能性は低くなる。このため前記ガス導入管の貫通孔内径を小さくすることにより、絶縁破壊を抑制することができる。
【００２４】
図４は、内径が１．０〜０．４ｍｍ、長さ５０ｍｍの絶縁管内に所定の圧力（１〜６ｋＰａ）のヘリウムガスを充填し、さらに両端に所定の電圧を印加した場合の絶縁破壊電圧の測定結果を示す図である。なお、ここで使用した電圧源は、最高電圧６ｋＶ仕様である。
【００２５】
図４に示すように、絶縁管の内径が小さいほど、絶縁破壊電圧が増大している。前記圧力範囲でもっとも絶縁破壊電圧が低い１ｋＰａの場合を考えると、必要な耐電圧を１ｋＶとすると前記絶縁管の内径は１．０ｍｍ以下であることが必要である。
【００２６】
同様に必要な耐電圧を２ｋＶとすると前記絶縁管の内径は０．８ｍｍ以下であることが、必要な耐電圧を３ｋＶとすると前記絶縁管の内径は０．５ｍｍ以下であることが、必要な耐電圧を４ｋＶとすると前記絶縁管の内径は０．４ｍｍ以下であることがそれぞれ必要である。
【００２７】
これらの実験結果から、絶縁破壊を起こさないためには以下の式を満たすことが必要であることがわかる。
【００２８】
Ｄ・Ｖｓ≦１．５      ・・・・・・（１）
ただし、Ｄ：内径（ｍｍ）、Ｖｓ：絶縁破壊電圧（ｋＶ）
なお、内径が小さくなると一つの貫通孔だけではコンダクタンスが不足し、ヘリウムガスを十分に供給できなくなる。このため、ガス導入管５には、式（１）を満たす内径の貫通孔１２を複数個設けてコンダクタンスの不足を補う。
【００２９】
図５は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。図において、１４は大径の絶縁物製導入管、１３は導入管１４内に収納した小径の絶縁物製導入管であり、ガス絶縁管５は複数の小径の導入管１３および該小径の導入管１３を収容した大径の導入管１４からなる。なお、ガス導入路１０を通して供給されるヘリウムガスは、前記小径の導入管１３の内部および該導入管１３と大径の導入管の間の空間を介してウエハ３と誘電体２の間に形成される空隙に供給される。なお、前記絶縁物としてはセラミックス、樹脂等を使用することができる。
【００３０】
前記小径の導入管１３の内径は、前記第１の実施形態における値と同様に、（１）式に基づいて決定することができる。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガス導入路の前記ウエハ載置面に垂直に臨む部分に、複数の円筒状の貫通孔を備えたガス導入管を設け、さらに前記ガス導入管に形成した貫通孔の内径は、前記貫通孔内に放出された二次電子の貫通孔壁への衝突による電子なだれが発生しない値以下に設定する。
【００３２】
また。ガス導入路の前記ウエハ載置面に垂直に臨む部分に、複数の小径の導入管および該小径の導入管を収容した大径の導入管を設け、さらに前記小径の導入管の内径は、管内に放出された二次電子の管壁への衝突による電子なだれが発生しない値以下に設定する。
【００３３】
このため、電極本体内にあるガス導入路内での放電を抑制することができる。このため、ガス導入管内での放電に起因するエッチングエラーやウエハ損傷、さらには電極本体の損傷を抑制することができ、スループットの向上やコスト低減が期待できる。
【００３４】
以上の例では、ドライエッチング装置を例に説明したが、各種の放電方式（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）を利用したドライエッチング装置において同様の作用効果を奏する。また、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奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるウエハ載置電極を説明する図である。
【図２】従来のウエハ載置電極の例を示す図である。
【図３】ガス導入管５の詳細を説明する図である。
【図４】絶縁破壊電圧の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電極本体
２  誘電体
３  被処理基板
４  冷媒溝
５  ガス導入管
６  直流電源
７  圧力計
８  マスフローコントローラ
９  ヘリウムガスボンベ
１０  ガス導入路
１１  吐き出し部
１２  貫通孔
１３  小径の導入管
１４  大径の導入管
【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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