(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加可能な基台であり、ウェーハを載置してその外周部を機械的に固定するクランプ手段を有し、基台上面にウェーハと相似形の１つの凹部あるいは１つのリング状凸部を設けて載置したウェーハの裏面側に１つの冷却ガス導入空間を形成し、ウェーハの裏面に冷却ガスが接触しながら冷却ガス導入空間を移動するように冷却ガス供給孔路と冷却ガス排気孔路を設けたプラズマエッチング装置用基台であって、
前記冷却ガス供給孔路を基台の中心部に形成するとともに、
複数の前記冷却ガス排気孔路を基台の外周部に所要間隔で形成し、
基台の外周部であり且つ前記冷却ガス導入空間と各冷却ガス排気孔路との間にこれらが相互に連通するようにリング状多孔質材を設けたことを特徴とするプラズマエッチング装置用基台。
【請求項２】
前記多孔質材は、金属、合金、セラミックス、樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング装置用基台。
【請求項３】
室内に処理ガスを流量及び圧力調節して供給する処理ガス供給手段並びにその排気手段を備えた処理室と、
前記処理室内に配設され、前記請求項１又は２記載のプラズマエッチング装置用基台と、
前記基台に高周波電力を印加する電力供給手段と、
前記基台とは独立して高周波電力を印加し、前記処理室内に供給された処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段とを設けたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メカニカルクランプを使用する基台の改良に関し、ウェーハと基台との間に導入した熱媒体のヘリウムガスを積極的に流動させて、基板剛性の低下したウェーハが反応室側へ膨出するのを防止するとともに冷却能を向上させて、ウェーハの面内温度の均一化を図ることが可能なプラズマエッチング装置用基台、及びこれを備えたプラズマエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンやガラス、ＧａＡｓなどのウェーハを用いた、半導体デバイスの作製や、マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ、以下ＭＥＭＳという）による各種デバイスの製造には、ウェーハ材料自体あるいはその材料表面に設けた酸化膜をエッチングして所要形状に加工するため、エッチング加工が不可欠であり、プラズマを用いたドライエッチング処理が広く利用されている。
【０００３】
プラズマエッチング方法は、減圧雰囲気中で低圧プロセスガスのプラズマを発生させ、発生したプラズマにより例えばシリコンをエッチング加工する。その装置構成例として、プラズマ発生とプラズマ引き込みを個別に制御できる誘導結合型プラズマ装置（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ，ＩＣＰという）が知られている。
【０００４】
このＩＣＰ装置では、コイルに交流電圧を印加してプラズマを発生させ、ウェーハを載置した基板電極に交流電圧を印加して、反応室外で発生させたプラズマを反応室内に引き込み、引き込んだプラズマによってウェーハにエッチングを行う。
【０００５】
反応室内のウェーハを載置するための基台は、ウェーハを静電吸着やメカニカルクランプ等の手段で載置固定し、基台自体を冷却したり、基台とウエーハの間に熱伝達の媒体としたヘリウムガスを充填するようにしてウエーハの面内温度を均一に保持するよう構成されている。
【０００６】
従来のメカニカルクランプを採用したプラズマエッチング装置は、電極となる基台アタッチメント表面に放射状と円周状の各冷却ガス分散用溝が複数条形成されており、冷却用のＨｅガスが基台プラテンを貫通して配置する冷却ガス供給管を介して前記溝に供給される構成からなる。しかし、かかる装置において、ＧａＡｓ等の化合物半導体基板の場合に、エッチング深さにばらつきが生じる問題が有り、これは溝が基台アタッチメント上の電界分布を不均一することに起因していた。
【０００７】
そこで、特許文献２に開示されるように、処理載置する化合物半導体ウェーハ上の誘電体膜のエッチング深さの面内均一性を向上させる目的で、図４に示すように、基台アタッチメント１３ｂ表面から溝をなくして平坦にして、ウェーハ１７と基台アタッチメント１３ｂとの間に空間部１６を設けてあり、同空間内に熱媒体のヘリウムガスが導入され、ヘリウムガスは基台アタッチメント１３ｂのクランプ部材１８直下位置に周配置されるＯリング１９により、真空雰囲気の反応室１２内へ漏洩しないようシールされている。
【特許文献１】特開２００３−７７８９２
【特許文献２】特開２００３−１３３２８６
【特許文献３】特開２００４−１１９４４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４に示す特許文献２の基台では、その基台アタッチメント１３ｂに載置されたウェーハ１７表面に温度差が生じると、エッチング加工量にばらつきを生じることがあった。特に、半導体基板に形成したＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜等の誘電体膜をエッチング加工する場合は、前記ばらつきが顕著であった。
【０００９】
一方、ガラスウェーハや厚みが薄く補強のための裏打ち材が設けられたシリコンウェーハなどは、基台への載置に際して静電吸着ができない。また、エッチング加工量が多く加工後に厚みが著しく薄くなるシリコンウェーハなどは、静電吸着では加工後の離脱時に割れる恐れがあるため、ウェーハの外周部をメカニカルクランプされる。
【００１０】
図３に示す上記構成の基台１３を有するエッチング装置は、前述のごとく、ウェーハ種や加工パターンによっては、エッチングプロセスの進行に伴って基板の剛性が低くなり、相対的に真空雰囲気の反応室側へヘリウムガス圧力によるウェーハ１７の凸撓み量が増え、ウェーハ１７中央部と基台アタッチメント１３ｂとの間隔が大きくなり過ぎることがある。
【００１１】
この場合、ウェーハ１７中央部と基台アタッチメント１３ｂとの間で熱伝達が十分できなくなり、ウェーハの温度分布が悪化し、例えばウェーハの中央部と外周側と４０℃以上の温度差を生じてエッチングプロセス性能に悪影響を及ぼすことになる。
【００１２】
この発明は、プラズマエッチング装置用基台において、当該基台にメカニカルクランプとウェーハ冷却用ヘリウムガスを使用するに際し、ウェーハの厚みが薄くまたプロセスの進行に伴い相対的に基板剛性が低下するなど、真空雰囲気の反応室側へのウェーハの撓みが増大し、ウェーハの面内温度の不均一が発生する問題を解消できる構成からなるプラズマエッチング装置用基台、及びこれを備えたプラズマエッチング装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者らは、メカニカルクランプを使用する基台において、載置するウェーハの面内温度の均一化を図ることを目的に、例えば基台外周付近に微小な凸段差を設け、プラテンと基板との間に良好な熱伝達ができる範囲の隙間を確保して、熱媒体のヘリウムガスの導入方法について種々検討した結果、基台外周付近に小径のガス抜き孔を多数設け、ガス抜き孔を通してヘリウムガスを一定流量で均一に流すことにより、ウェーハ背面のヘリウムガス圧力に中心部と外周側との間に所要の傾斜を持たせてウェーハの撓みに合わせることで、ウェーハ面内の温度分布を均一に維持できることを知見した。
【００１４】
また、発明者らは、ウェーハのメカニカルクランプが接触する基台外周付近に金属などの多孔質材のリングを配置して排気系を構成してガス導入空間内のガス圧力を所定範囲に制御するとともに、前記ウェーハ背面のヘリウムガス圧力の傾斜を制御することにより、ウェーハの過大な撓みと面内の温度不均一を防止できることを知見し、この発明を完成した。
【００１５】
すなわち、この発明は、電圧を印加可能な基台であり、ウェーハを載置してその外周部を機械的に固定するクランプ手段を有し、基台上面にウェーハと相似形の１つの凹部あるいは１つのリング状凸部を設けて載置したウェーハの裏面側に１つの冷却ガス導入空間を形成し、ウェーハの裏面に冷却ガスが接触しながら冷却ガス導入空間を移動するように冷却ガス供給孔路と冷却ガス排気孔路を設けたプラズマエッチング装置用基台であって、
前記冷却ガス供給孔路を基台の中心部に形成するとともに、複数の前記冷却ガス排気孔路を基台の外周部に所要間隔で形成し、基台の外周部であり且つ前記冷却ガス導入空間と各冷却ガス排気孔路との間にこれらが相互に連通するようにリング状多孔質材を設けたことを特徴とするプラズマエッチング装置用基台に係る。
【００１６】
また、この発明は、室内に処理ガスを流量及び圧力調節して供給する処理ガス供給手段並びにその排気手段を備えた処理室と、前記処理室内に配設され、前記プラズマエッチング装置用基台と、前記基台に高周波電力を印加する電力供給手段と、前記基台とは独立して高周波電力を印加し、前記処理室内に供給された処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段とを設けたことを特徴とするプラズマエッチング装置に係る。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によると、プラズマエッチング装置用基台の上面側であり、且つウェーハの裏面側に冷却ガス導入空間を形成して、ヘリウムガスを一定流量で均一に流すことにより、該ガス圧力に例えばウェーハの中心が高くなるように傾斜を持たせて、ウェーハの撓みが大きくなる中心部でより多くの熱伝達が行われるように調整することで、ウェーハの温度分布が良好になりエッチングプロセス性能が向上する効果が得られる。
【００１８】
また、この発明によると、基台への載置に際して静電吸着ができない材質のウェーハや、加工後に厚みが著しく薄くなるシリコンウェーハなど、メカニカルクランプが必要なウェーハに対して、ウェーハ面内の温度分布のばらつきを発生させることなく、プラズマエッチング加工することが可能であり、ウェーハ面内のいずれの箇所の加工量も同等となり、高品質の加工を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず最初に、参考例について説明する。この参考例によるプラズマエッチング装置用基台１は、図１に示すように基台１上面に載置したウェーハ１７の裏面との間に冷却ガス導入空間３を形成し、ウェーハの裏面に冷却ガスが接触しながら冷却ガス導入空間を移動するように冷却ガスの供給系路４と排気系路５を設けたことを特徴とする。なお、図４の例に示す基台アタッチメントとそれを保持する基台プラテンとで基台を構成する場合、両者に前記冷却ガスの供給系路４と排気系路５を設けるが、アタッチメントとプラテンが一体に構成される基台であっても同様であり、図１から図２ではアタッチメントを例示し単に基台１という。
【００２０】
冷却ガス導入空間３は、基台１上面にウェーハ１７と相似形の凹部あるいはリング状凸部を設けて形成するが、図１に示す例は、ウェーハ１７と相似形で熱伝達が実行的になる数十μｍ深さの凹部を形成したものである。なお、基台１上面の端円周部１ａには、リップシール２が配置されて、クランプ部材１８で押圧するウェーハ１７外周部と冷却ガス導入空間３との間を密封する機能を有している。
【００２１】
ここでは、基台１上面の中心部に１つの冷却ガス供給孔路４と、基台１上面のクランプ部材１８近傍に複数の冷却ガス排気孔路５を設けてある。冷却ガス排気孔路５には、冷却ガス導入空間３内の圧力を制御するためのバルブ６が配置されている。従って、導入された冷却ガスは、基台１中心から基台１外周側へと均等に流れる。なお、冷却ガス供給孔路４は、基台１上面の中央部に複数個配置することもできる。
【００２２】
かかる冷却ガス導入空間３は、基台１上面にウェーハ１７と外周形状が相似形に配置されるＯリングのようなリング状凸部を設けて形成することも可能である。
【００２３】
次に、本発明の一実施形態について図２に基づき説明する。図２に示す冷却ガス導入空間３は、ウェーハ１７と相似形の凹部を形成した基台１上面の端円周部１ａでクランプ部材１８近傍に多孔質材７を配置して冷却ガス導入空間３の最外周部を形成してあり、多孔質材７に冷却ガス排気孔路５が接続されている。図示しない基台１上面の中心部の冷却ガス供給孔路４から導入された冷却ガスは基台１外周側に配置されるリング状の多孔質材７方向へ均等に流れていく。かかる多孔質材７を用いた場合は、冷却ガス排気孔路５のみに比較して冷却ガスはより均等に流れる効果がある。なお、冷却ガス排気孔路５は所要間隔で複数箇所に配置することができる。
【００２４】
前記多孔質材料としては、公知の金属、合金、セラミックス、樹脂のいずれをも利用でき、具体的には、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、ジルコニア及び各種セラミックなど、各材質の焼結体、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質体等を挙げることができる。また、アルミニウムなどの溶射による多孔質体を利用することができる。
【００２５】
また、Ｏリングやリップシールには、フッ素ゴム、パーフロロエラストマー、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴムなど公知の多くの材料より適宜選定できる。
【００２６】
図３は、この発明の一実施形態に係るウェーハのエッチング方法を実施するための誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）装置の構成説明図である。図３に示すエッチング装置は、処理室１０として、プラズマを発生させる上方側のプラズマ発生室１１と、発生されたプラズマを引き込んで被エッチング対象であるウェーハ１７をプラズマ処理するための基台１３を備えた下方側の反応室１２とから構成される。
【００２７】
処理室内の排気手段としての排気系路１４は、ここでは反応室１２に接続する通路部材及びこの通路部材に接続する真空ポンプを備えている。この真空ポンプと反応室１２と通路部材間に介在する制御機構を備えた開閉バルブ（図示せず）により、処理室１０内の圧力は所要範囲に減圧、制御される。
【００２８】
例えば、エッチング用のＳＦ６ガスと、酸素を含む酸化性ガスと、保護膜形成用Ｃ４Ｆ８ガスとを供給するガス供給系路１５は、プラズマ発生室１１上部に接続される通路部材と、図示しない各ガスに対応した流量制御装置及びガスボンベとからなる。各種ガスは、ガスボンベから流量制御装置により流量を調整された上で、プラズマ発生室１１内に送給される。
【００２９】
プラズマ発生手段は、セラミック製の円筒形状を有するプラズマ発生室１１の外周に配設されたコイル２０と、コイル２０にマッチングユニット２１を介して接続される高周波電源２２とからなる。プラズマエッチング装置の稼動時には、周波数１３．５６ＭＨｚの交流電力がコイル２０に印加され、処理室に供給されるガスがプラズマ化される。
【００３０】
ウェーハ１７を載置する基台１３は、前記反応室１２内に収容されており、コイル２０への高周波電力の印加により発生したプラズマを積極的にウェーハ１７に引き込むために、基台１３に対して、前記コイル２０とは別個にマッチングユニット２３を介して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源２４が接続されている。
【００３１】
図示しない制御装置は、反応ガス流量制御、基台電力制御、コイル電力制御の各機能を有し、前述のガス流量調整装置を制御してガスボンベからエッチングガス、酸化性ガス、保護膜形成ガスをプラズマ発生室１１内に送給し、また、前述の基台１３に対し高周波電源２２とマッチングユニット２１を制御して高周波電力を印加し、さらに、コイル２０に対し高周波電源２４とマッチングユニット２３を制御して高周波電力を印加する。
【００３２】
特に反応ガス流量制御は、エッチングガスのみを所定時間供給してエッチングを行うエッチング工程、酸化性ガスのみを所定時間供給して作用させる工程、保護膜形成ガスのみを所定時間供給して保護膜を形成する保護膜を堆積させる工程とを順次繰り返して実行することができる。
【００３３】
（比較例）
図４に示す従来構成のプラズマエッチング装置用基台を備えたエッチング装置において、８インチ外径のシリコンウェーハを用いて、これにサーモラベルを貼りつけ、エッチング工程中の基台上面に載置したウェーハの中心部と、外周部のクランプ部材の内側の温度を測定した。その結果、中心部８８〜９２℃、外周部４９〜５３℃、温度差は３５〜４３℃であった。
【００３４】
ウェーハ表面温度測定用プラズマ条件は以下のとおりであった。
ガス種：ＳＦ６
コイルパワー（プラズマ励起用電力）：２０００Ｗ
プラテンパワー（基板電力←プラズマ引き込み用）：１５Ｗ
ガスフロー：３００ｓｃｃｍ
チャンバー圧力：５Ｐａ
【００３５】
（参考例）
図１の基台アタッチメントを備えた図３に示すこの発明のプラズマエッチング装置において、８インチ外径のシリコンウェーハを用いて、比較例と同様にエッチング工程中の基台アタッチメント上面に載置したウェーハの中心部と、外周部のクランプ部材の内側の温度を測定した。その結果、中心部８８〜９２℃、外周部８２〜８７℃、温度差は１〜１０℃であった。
【００３６】
比較例のエッチング装置では、ウェーハの温度分布差が、３５〜４３℃であったものが、この参考例では、１〜１０℃と大幅に低減されることが明らかで、ウェーハ面内の均一性が良好なエッチングプロセス性能が得られることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明は、静電吸着ができない材質のウェーハ、加工後に厚みが著しく薄くなるシリコンウェーハなど、メカニカルクランプが必要なウェーハに対して、ウェーハ面内の温度分布のばらつきを発生させることなく、プラズマエッチング加工することが可能であり、ウェーハ面内のいずれの箇所の加工量も同等となり、高品質の加工を提供でき、ＭＥＭＳによる各種デバイスの製造に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】参考例によるプラズマエッチング装置用基台の主要部の構成を示す縦断説明図である。
【図２】この発明によるプラズマエッチング装置用基台の主要部の構成を示す縦断説明図である。
【図３】この発明によるプラズマエッチング装置の構成例を示す説明図である。
【図４】従来のプラズマエッチング装置の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  基台
２  リップシール
３  冷却ガス導入空間
４  冷却ガス供給孔路
５  冷却ガス排気孔路
６  バルブ
７  多孔質材
１０  処理室
１１  プラズマ発生室
１２  反応室
１３  基台
１４  排気系路
１５  反応ガス供給系路
１６  空間部
１７  ウェーハ
１８  クランプ部材
１９  Ｏリング
２０  コイル
２１，２３  マッチングユニット
２２，２４  高周波電源
【図１】
0004519576.tif 000002
【図２】
0004519576.tif 000003
【図３】
0004519576.tif 000004
【図４】
0004519576.tif 000005