JPH0797582B2 - 表面処理装置 - Google Patents

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、半導体集積回路素子の製造工程において用い
られるドライエッチング装置や薄膜堆積装置等の表面処
理装置に係わり、特に反応容器の内壁を所定の温度に加
熱維持し、プロセスの再現性を向上するとともに素子の
歩留り低下の原因となるダストを低減するようにした表
面処理装置に関する。

（従来の技術） 半導体集積回路素子の製造工程は、主として薄膜の堆積
と微細加工の繰返しによって成立っている。

従来、薄膜の堆積工程としては、スパッタ法あるいは蒸
着法などの物理的な気相成長法や、化学気相成長法が一
般的であったが、最近は、膜形成時の不純物添加および
組成の制御が容易であり、しかも基板表面段差部での膜
の被覆特性も良好なところから、減圧下での化学気相成
長法（減圧CVD法）が主流となりつつある。

一方、薄膜の微細加工には、反応性イオンエッチング
（RIE）やプラズマエッチング等のドライエッチング技
術が用いられている。

このドライエッチング法と減圧CVD法は、いずれも真空
容器の内部で減圧下で表面処理を行うという共通点を有
している。

これらの表面処理工程におけるプロセスの安定性は、真
空容器の内壁の状態によって大きく左右される。すなわ
ち、例えば容器内壁にエッチング生成物や反応ガスによ
る堆積膜が付着すると、プラズマの励起源である高周波
電圧や直流電圧に対する抵抗が変化したり、堆積膜から
放出ガスが再放出される。これらは、エッチング速度や
薄膜形成速度あるいは薄膜の組成に影響を及ぼし、工程
の再現性を悪化させる。また、真空容器の内壁に付着し
た堆積膜がはがれると、被処理基体にダストが付着し、
素子の歩留りを悪化させる。

このような容器内壁への堆積膜の付着や、堆積膜のはが
れを防止するには、内壁を一定温度以上に加熱し、かつ
温度を一定に保持して、温度変化による膜の疲労を押え
ることが有効である。

（発明が解決しようとする問題点） 真空容器の内壁を加熱する手段としては、真空容器全体
の外側から加熱する方法と、真空容器の内部にヒーター
を挿入して内壁のみを加熱する方法があげられる。

前者の方法は、容器全体を均一に加熱できる特徴があ
る。しかしながら、ウェハを真空容器に搬入するための
ゲート弁やガスと導入弁、真空排気用の弁等も同時に加
熱されてしまうため、これらの真空シール用の材料には
全て耐熱性のものを用いる必要がある。この場合、比較
的耐熱性の高いシール材としてはポリイミドがあるが、
実用的な耐熱温度は200℃程度であり、それ以上の温度
では使用できない。また、金属シールやテフロンシール
は耐熱性が高いが、いずれも一旦塑性変形を起こすと、
元の形状に戻らない性質があり、多数の半導体ウェハを
繰返し処理するため、弁の動作頻度の高い半導体製造装
置では使用することはできない。しかも真空容器の周辺
にも温度上昇が及ぶため、モータ等の駆動用部品を真空
容器の近くに配置しておくことが困難である。

一方、後者のように、真空容器の内部にヒータを挿入す
る場合には、シール部分や容器外側のモーターなどの搬
送用駆動部品を冷却することが可能である。例えば、容
器の内壁には、導電性の発熱体を絶縁性物で被覆したヒ
ータを被覆し、容器の外側には、外部部品やＯリングシ
ールの保護のために水冷却する構造を用いることができ
る。

しかしながら、この場合には、ヒータに接する壁の温度
が低く、ヒータの内部で大きな温度勾配が生じる。この
温度勾配は、ヒータ上部の温度の均一性を悪化させる。
すなわち、発熱体の真上では高く、発熱体のない部分で
は低くなり、温度むらが発生してしまう。

ヒータの上面にこのような温度差が生ずると、高温部ま
たは低温部で堆積膜が著しく促進されたり、両者の境界
部分の堆積膜が不安定となり、より一層はがれやすくな
るという問題点があった。

従って、従来の真空容器を用いる表面処理装置では、容
器の加熱温度を200℃以下とするか、内壁温度の均一性
を犠牲にして、局部的に温度むらの大きい加熱手段を用
いざるを得なかった。

（発明の目的） 本発明は、上述のごとき従来技術の欠点を除去し、容器
内面を均一に200℃以上に加熱でき、かつ容器の外壁や
真空シール部分を冷却できるようにして、半導体製造工
程における表面処理の安定性とダストの低減に有効に表
面処理装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の表面処理装置は、被処理基体を収納する真空容
器と、この容器内を真空排気する手段とを備え、前記真
空容器内に所定の反応ガスを導入して、被処理基体表面
にエッチングまたは薄膜形状を行う表面処理装置におい
て、熱異方性絶縁材料と導電性材料の積層構造を有し、
前記真空容器内壁を200℃以上に加熱する機能を有する
電熱ヒータを、前記熱異方性絶縁材料の熱伝導率が最大
となる方向を壁面方向と一致するように前記真空容器内
壁に接して設置したことを特徴とするものである。

（作 用） 上述のように構成した本発明の表面処理装置において
は、加熱手段の絶縁性材料として熱異方性材料を用いて
いるので、ヒータ内部において温度勾配が生じない。こ
れは、熱伝導率が最大となる面内方向の熱伝導率が充分
大きく、面内方向には熱伝導が容易であるのに対し、そ
れと垂直な方向の熱伝導率は小さく、壁面に垂直な方向
には熱が伝わり難いためである。

従って、発熱体真上の温度と発熱体の間隙部分上との温
度差がなくなり、ヒータ上部温度の均一性が向上する。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係わる銅用のドライエッ
チング装置を示す概略構成図である。

同図において、真空容器１の上下面には、その一部を構
成する第１および第２の電極2,3が対向して配置されて
いる。第１の電極（陽極）２は真空容器１の上面に直接
固着され、リード線４により直接接地されている。第２
の電極（陰極）３は、真空容器１の下面に絶縁物５を介
して固着されており、マッチング回路６を介して高周波
電源７から高周波電力が印加される。

真空容器１の内面、真空容器１から排気手段までの排管
８の内面および排管８の途中に介挿された真空仕切りバ
ルブ９の内面には、それぞれ加熱手段10が被覆されてい
る。

第２の電極（陰極）３の上面には、被エッチング基体を
載置するための試料台11が載置されている。この試料台
の内部には被エッチング基体を加熱する加熱手段（図示
せず）を設けてある。

また、真空容器１の外面には、水冷パイプ12が配置され
ている。13は、第１の電極２および加熱手段10を貫通し
て、真空容器１内に開口するガス導入管を示す。

加熱手段10は、第２図に示すように、絶縁性材料10aと
導電性材料10bを積層した構造の電熱ヒータからなる。
この電熱ヒータにおいて、発熱体として機能する導電性
材料10bにはグラファイトが使用され、また絶縁性材料1
0aとしては、例えば六方晶の窒化ホウ素BN等の熱異方性
材料が使用される。電熱ヒータは、その熱異方性材料の
熱伝導率が、被覆される壁面方向で最大となるように、
方向を定めて真空容器１などの壁面に被覆されている。

上述のように、本発明の表面処理装置においては、電熱
ヒータの絶縁性材料として熱異方性材料（例えば六方晶
のBN）を用いているので、第３図に示すように、ヒータ
内部において温度勾配が生じない。これは、第２図に示
すように、熱伝導率が最大となるａ軸方向の熱伝導率
が、例えば0.5cal/sec/cm²/℃/cmと充分大きく、面内方
向には熱伝導が容易であるのに対し、ａ軸に垂直なｃ軸
方向の熱伝導率は0.037cal/sec/cm²/℃/cmと小さく、面
に垂直な方向には熱が伝わり難いためである。なお、第
２図中、矢印の長さはａ軸とｃ軸の熱伝導率の大きさを
表している。

また、水冷パイプ12に冷却水を流すことにより、真空容
器１や排管８などの外面は冷却されるので、第４図に示
すように、真空仕切りバルブで使われているＯリング14
は、低い温度に保たれる。すなわち、実験の結果、Ｏリ
ング14から電熱ヒータ10までの距離を20mm以上としてお
けば、真空容器１や排管８内を300℃以上に加熱して
も、Ｏリングは150℃以上に昇温しないことが判明して
いる。

上記のように構成した真空装置によれば、真空容器内面
を200℃以上、例えば300℃の温度に、しかも均一に保つ
ことが可能であり、銅Cuのエッチング生成物を真空容器
内面に付着させることなく、銅エッチングをすることが
できる。

第５図は本発明の第２の実施例に係わるケイ素Si用のド
ライエッチング装置を示す概略図である。この実施例で
は、加熱手段10は第１の電極２の内面と容器１の側壁内
面にのみ被覆されており、他の構成は第１図の場合と同
じである。

第６図は第５図の上面図であり、第１の電極２の内壁に
被覆した、加熱手段10である電熱ヒータの下面の一部に
は、厚さが1,000オングストローム程度の熱酸化膜15を
配置してある。

ここで、電熱ヒータ10をOFFの状態とし、真空容器１内
に、ガス導入管13を通して塩素ガスC12を導入し、マッ
チング回路６を介して高周波電源７から第２の電極３に
高周波電力を印加し、被試料基体台11に載置されている
Si基板をエッチングして、熱酸化膜15上にエッチング生
成物の堆積膜を生じさせた。

この堆積膜の量は、真空容器１の中心からの距離に依存
する。

第７図は真空容器中心からの距離と、エッチング生成物
の堆積速度との関係を示している。この時、真空容器１
の内壁温度を等間隔に10ケ所測定した結果、その均一性
［（Max−Min）／（Max＋Min）］は50％であった。

次に、電熱ヒータの温度を200℃とし、その他の条件は
変えずに上記と同様の実験を行ったところ、真空容器中
心からの距離と堆積速度との関係は第８図のようにな
り、真空容器の内壁温度の均一性は10％以内に収まっ
た。

第９図と第10図は、第５図および第６図と同一構成の表
面処理装置において、Si基板を塩素ガスC12でエッチン
グする際、電熱ヒータ10の温度を100℃,200℃，ヒータO
FFとした場合におけるエッチング枚数と、それに対する
Siエッチング速度またはダスト個数との関係を示す特性
図である。

第９図から明らかなように、電熱ヒータの温度が200℃
であれば、75枚のエッチングを行ってもエッチング速度
はほぼ一定であるが、電熱ヒータ温度を100℃またヒー
タOFFにしたときは、エッチング枚数が25枚あたりから
エッチング速度が低下してくる。また、第10図から分る
ように、電熱ヒータ温度が100℃、またはヒータOFFのと
きには、エッチング枚数が25枚を超えるあたりからダス
トが急激に増えるが、ヒータ温度は200℃のときは、ダ
ストの発生は押えられる。

次に、本発明の第３の実施例を、第11図を参照して説明
する。

第11図はマイクロ波電子サイクロトロン共鳴（ECR）プ
ラズマを利用したCVD装置を示すもので、真空容器１内
には、2.45GHzのマイクロ波21が矩形導波管22を通して
導入される。また、真空容器１の内面には、第２図につ
き説明したと同一構成の加熱手段10が被覆されている。

真空容器１の周辺には、磁気コイル23が設けられ、電子
サイクトロン条件を実現する。真空容器１内には、ガス
導入管13を通してエッチングガスが導入され、排管８を
経由して排気手段（図示せず）へ導かれる。また、真空
容器１の外側に設けた冷却チャンバー24内には、配管25
を介して冷却水が導入される。試料載置台11上には試料
26が載置され、ドライエッチングや薄膜堆積等の表面処
理が施される。

第12図は、上述した第1,2,3の実施例に具備されている
加熱手段10の温度−電圧特性図を示すもので、真空容器
１の内壁に堆積膜を生じることがなく、また真空容器内
壁温度の均一性も大幅に改善される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の表面処理装置において
は、熱異方性の絶縁性材料と導電性材料の積層構造を有
し、この熱異方性絶縁材料の熱伝導率が最大となる方向
を壁面方向と一致するよう構成された電熱ヒータを容器
内壁に接して設置するようにしたので、容器内壁を均一
に200℃以上に加熱でき、半導体素子の製造工程におけ
る表面処理の安定とダストの低減に大きく寄与ことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す表面処理装置の概略
構成図、第２図は本発明装置において使用される加熱手
段（電熱ヒータ）の説明図、第３図は第２図に示す加熱
手段の内部位置と温度との関係を示すグラフ、第４図は
真空仕切りバルブの取付け部近傍の縦断面図、第５図は
本発明の第２実施例を示す表面処理装置の概略構成図、
第６図は第５図の上面（縮小）図、第７図と第８図は第
６図の装置において真空容器中心からの距離に対するエ
ッチング生成物の堆積速度の特性図、第９図はエッチン
グ枚数に対するエッチング速度の特性図、第10図はエッ
チング枚数に対するダスト個数の関係を示す特性図、第
11図は本発明の第３実施例に係わる表面処理装置の概略
構成図、第12図は本発明において使用される加熱手段10
の温度−電圧の関係を示す特性図である。 １……真空容器、２……第１の電極、３……第２の電
極、４……リード線、５……絶縁物、６……マッチング
回路、７……高周波電源、８……排管、９……真空仕切
りバルブ、10……加熱手段、11……試料載置台、12……
水冷パイプ、13……ガス導入管、14……Ｏリング、21…
…マイクロ波、22……矩形導波管、23……磁気コイル、
24……冷却チャンバー、25……配管、26……試料。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基体を収納する真空容器と、この容
   器内を真空排気する手段とを備え、前記真空容器内に所
   定の反応ガスを導入して、被処理基体表面にエッチング
   または薄膜形状を行う表面処理装置において、熱異方性
   絶縁材料と導電性材料の積層構造を有し、前記真空容器
   内壁を200℃以上に加熱する機能を有する電熱ヒータ
   を、前記熱異方性絶縁材料の熱伝導率が最大となる方向
   を壁面方向と一致するように前記真空容器内壁に接して
   設置したことを特徴とする表面処理装置。