JP2003249541A - ウエハステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】広い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保つ
ことができるウエハステージを提供する。 【解決手段】冷却液循環路４６を内蔵した液冷ジャケッ
ト１４並びにヒータ１６及び静電チャック用の電極１７
を内蔵し且つ前記液冷ジャケット１４上に取り付けられ
たセラミック板１５からなり、該セラミック板１５上に
ウエハ１を載置してウエハ処理を行うウエハ処理装置用
のウエハステージ２であって、前記液冷ジャケット１４
は該液冷ジャケット１４上に形成した冷却ガス循環用ギ
ャップ３８を介して前記セラミック板１５を取り付ける
と共に、前記液冷ジャケット１４と前記セラミック板１
５間には前記冷却ガスを封止するための弾性体を内蔵し
た耐熱性のシール材３１，３３を配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はウエハ処理装置用の
ウエハステージに係り、特に高温（２００ないし５００
℃程度）処理に好適なウエハステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】次世代の半導体デバイスのキャパシタ電
極材料として、誘電率の高いキャパシタ絶縁膜との相性
等から、ルテニウムやその酸化物あるいは白金等がその
有力な候補になっている。また、酸化シリコンに代わる
ゲート絶縁膜として、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウ
ムなどが、また、キャパシタ絶縁膜としてＰＺＴ（白金
とジルコニウムとチタンの化合物）、ＢＳＴ（バリウム
とストロンチウムとチタンの化合物）などが検討されて
いる。このように将来の半導体デバイス材料として各種
の新材料が検討されている。しかしながら、これらの新
材料は熱的、化学的に安定で揮発性が極めて低く、不揮
発性材料と呼ばれている。

【０００３】これら不揮発性材料のエッチング加工は、
処理中のウエハの温度を高温に保つことが必須となる。
従来のエッチング処理装置ではウエハの温度は−５０℃
程度の低温から１００℃程度までが一般的であるが、こ
の程度の温度では前記不揮発性材料は化学的に安定であ
るためにエッチングできない。このため、前記不揮発性
材料を使用する場合は２００℃から５００℃といった高
温で処理する必要がある。

【０００４】ウエハを高温で処理する処理装置を実現す
るためには、ウエハを高温に加熱できるだけでなくプラ
ズマからの入熱がある場合にもウエハの温度分布を均一
に且つ応答性よく温度制御できるウエハステージが必要
となる。

【０００５】特開平７−１７６６０１号公報には、ウエ
ハを保持するペデストラルとその下に設ける熱源および
シンク間にガス空隙空間を設けて、このガス空隙空間に
導入するガスの圧力を制御することにより処理中のウエ
ハの温度を応答性よく制御する方法が示されている。

【０００６】また、特開平２００１−１１０８８５号に
は、ウエハを保持するための保持部材と冷却を行うため
の冷却部材間にガスを封入、排出できる伝熱ガス室を設
け、更に前記保持部材側に発熱体を設けてウエハを高温
に保持することが示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平７−１７６
６０１号公報の例では、ウエハを保持するペデストラル
と熱シンク間に設けた空隙空間にガスを封止するため
に、ペデストラルと熱シンクを溶接し、あるいはＯリン
グを狭持して固定している。ペデストラルと熱シンクを
溶接により固定した場合は、ウエハを保持するペデスト
ラルを寿命あるいは事故等により交換するとき、交換の
範囲が広くなりがちで作業が大がかりなものとなる。ま
た、溶接による接続は、ペデストラルと熱シンクの双方
とも金属に限られる。また、Ｏリングを狭持して固定す
る場合は、Ｏリングの耐熱温度により使用可能な温度範
囲が限られ、せいぜい２００℃程度がその上限である。

【０００８】特開平２００１−１１０８８５号の例も、
特開平７−１７６６０１号公報の例と同様に、ウエハを
保持する保持部材と冷却部材を溶接、あるいはＯリング
を介してボルト締めする方法が開示されており、前述し
たのと同様な問題を抱えている。

【０００９】また、この例ではウエハ温度の面内均一性
を向上する目的で、冷却部材に設けた凹部の領域内に高
さを変化させた領域を設け、冷却部材と支持部材間の熱
コンダクタンスに分布を持たせ、これによりウエハ面内
温度分布を改善する方法が示されている。しかしなが
ら、このような構成では、ある使用温度の場合に最適化
された温度分布を実現できる冷却部材構造を採用した場
合、他の使用温度においてはウエハ面内温度分布が変化
してしまうことがある。この現象は特に４００℃あるい
は５００℃といった高温での使用の場合に問題となる。
すなわち、４００℃あるいは５００℃といった温度領域
ではウエハステージからの輻射による熱の逃げが相対的
に増加し、ウエハ面内温度分布を悪化させる原因となる
からである。本来からいえば、ウエハステージの温度分
布は広い温度範囲において均一であるのが望ましい。そ
のためにはウエハステージからの熱の逃げは少なく、冷
却部材との熱のやり取りは面内で均一であるほうが有利
である。しかしながらこの例においてはウエハステージ
からの熱の逃げを低減する方法については言及していな
い。本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、
高温で且つ広い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保
つことができるウエハステージを提供する。また、前記
ウエハステージを用いたウエハ処理に際してウエハに温
度変化による障害を与えることのないウエハ処理方法を
提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を採用した。

【００１１】冷却液循環路４６を内蔵した液冷ジャケッ
ト１４並びにヒータ１６及び静電チャック用の電極１７
を内蔵し且つ前記液冷ジャケット１４上に取り付けられ
たセラミック板１５からなり、該セラミック板１５上に
ウエハ１を載置してウエハ処理を行うウエハ処理装置用
のウエハステージ２であって、前記液冷ジャケット１４
は該液冷ジャケット１４上に形成した冷却ガス循環用ギ
ャップ３８を介して前記セラミック板１５を取り付ける
と共に、前記液冷ジャケット１４と前記セラミック板１
５間には前記冷却ガスを封止するための弾性体を内蔵し
た耐熱性のシール材３１，３３を配置した。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図にした
がって説明する。図1、２に本発明の第一の実施例を示
す。図１は本発明のウエハステージをプラズマ処理装置
に適用した例、図２は図１に示すウエハステージを拡大
した図、図３は水冷ジャケットの斜視図である。

【００１３】図１に示すように、真空チャンバ９内にエ
ッチングガス１１を導入し、ターボ分子ポンプ１３の上
流に設置したバルブ１２の開度調節によりチャンバ内を
適切な圧力に保つ。真空チャンバ９の上部にはアルミナ
製のベルジャ１０が積載してあり、このベルジャの周囲
にはコイル７が設置してある。コイル７を高周波電源８
に接続し、コイルの両端に高周波電圧、例えば１３．５
６ＭＨｚの高周波電圧を印加することにより誘導結合方
式のプラズマ６を発生させる。このプラズマにウエハ１
を曝すことによりエッチング処理を実施する。処理中、
ウエハはウエハステージ２上に載置され、温度管理され
ている。

【００１４】また、ウエハにバイアス電圧を印加するた
めに、ウエハステージには高周波電源５を接続してい
る。また、この高周波電源の給電ラインにはウエハステ
ージに静電チャック機能を付与するために直流電源２２
が接続してある。なお、図において、３はエッチングガ
スの流量を制御する流量制御器、４はゲートバルブであ
る。ゲートバルブ４はウエハの搬送時には開となり、ウ
エハを搬送する図示しない搬送アームが前記ゲートバル
ブ４を通して前進または後退する。

【００１５】次に、図２、図３を用いて本発明のウエハ
ステージを詳細に説明する。ウエハステージ２は大きく
分けると、冷却用の水冷ジャケット１４の上に、ヒータ
機能及び静電チャック機能を有するセラミックス板１５
をボルトで固定して搭載した構成となっている。

【００１６】セラミックス板１５の材質は熱伝導率の大
きな窒化アルミであり、内部にヒータ１６を埋設してあ
る。したがって、ヒータ１６に電力を投入することによ
りセラミックス板を加熱することができる。なお、セラ
ミックス板を窒化アルミで構成するのは、窒化アルミは
熱伝導率が高いため面内に温度差がつきにくくなり、ウ
エハの温度分布を均一化することができるためである。
しかし、必ずしも窒化アルミである必要があるわけでは
なくその他の材質であってもよい。

【００１７】また、前記セラミックス板１５内部のヒー
タ１６上には、ウエハステージに静電チャック機能及び
ＲＦバイアスを与えるための内部電極１７を埋設してあ
る。この内部電極１７に直流電圧を印加すれば、内部電
極１７とウエハ１（ウエハはプラズマに曝されておりほ
ぼアース電位）間に電位差が発生し、内部電極とウエハ
裏面間に電荷が蓄えられてクーロン力によりウエハはセ
ラミックス板に吸着固定される。また、内部電極１７に
は直流電圧のほかにウエハにバイアス電力を投入するた
めの高周波電圧を印加する。図１の高周波電源５がこの
役割を果たす。電気回路的には静電チャック用の直流電
源２２をコイル２１を介して給電ライン１９に接続す
る。本実施例で給電ラインに相当するのは支持部材内に
設けた中空のシャフト２０である。この中空シャフトを
介して内部電極１７に高周波電圧を印加してウエハにバ
イアス電圧を印加すれば、プラズマ中のイオンをウエハ
に効果的に引き込むことができる。これによりエッチン
グレートが増加し、更にエッチング形状が改善されるな
どの効果が期待できる。

【００１８】なお、前記ヒータ１６及び内部電極１７は
その配置の仕方によって得られる効果が異なるので以下
に説明する。図４（ａ）には第一の実施例と同様な内部
電極１７の配置の拡大図を示す。この例の場合では内部
電極１７はセラミックス板１５の凸部内のみに配置して
あるため、ウエハのみを吸着し、ＲＦバイアスもウエハ
のみに印加される。すなわちサセプタ７５は静電吸着さ
れず、ＲＦバイアスもかからない。したがって、サセプ
タ７５はプラズマによりエッチングされることがない。
これに対して図４（ｂ）の例の場合には、セラミックス
板の内部電極１７と電気的に接続した第二の内部電極７
６が内蔵されている。この方式ではウエハだけでなくサ
セプタ７５も静電吸着され、更にサセプタ７５にＲＦバ
イアスも印加されることになる。すなわち、この方式は
デポ性（堆積性）の強いエッチングプロセスに有利な方
法を提供する。すなわち、デポ性が強いプロセスの場
合、図４（ａ）の方式ではサセプタにデポ（堆積物）が
付着し、次いで、付着した前記堆積物が剥離してウエハ
表面に異物として載ることがあり、歩留まりの低下を引
き起こす。これに対して図４（ｂ）の例の場合には、サ
セプタに付着した堆積物はＲＦバイアスが印加されるこ
とによりエッチングされ、結果としてウエハ表面に付着
する異物が少なくなり歩留まりが上がるという利点があ
る。

【００１９】次に、図５を用いてヒータの外径の違いに
よる効果の違いを説明する。図５（ａ）は第一の実施例
と同じように、ヒータ１６の外径をセラミックス板の凸
部の外径とほぼ同じに配置した場合である。この場合
は、プラズマからの入熱量が大きい場合に、ウエハ温度
分布を均一化する手法として有効な方法である。つま
り、図５（ｂ）のヒータ外径をセラミックス板の凸部よ
り大きくして、セラミックス板の外径付近まで伸びてい
る場合には、セラミック板のほぼ全面にわたり均一に加
熱できるので、プラズマ入熱がないか、もしくは入熱が
小さい場合にはウエハ温度分布を均一化しやすいメリッ
トがある。しかし、プラズマ入熱が大きい場合には、セ
ラミックス板の温度を下げる必要があるためにヒータへ
の出力を小さくする必要がある。この場合は外周付近の
入熱量に比べて凸部領域の入熱量が相対的に大きくなっ
てしまう。その結果、ウエハ外周の温度が相対的に低く
なりウエハ面内に温度分布が発生してしまう。

【００２０】これに対し、図５（ａ）の場合にはヒータ
は凸部領域とほぼ同じ範囲となっており、このヒータ配
列でウエハ温度分布が均一化されているため、プラズマ
入熱が大きく、ヒータ出力が低下した場合でも、もとも
との状態とほぼ同じ領域のみの入熱分布となるので、結
果ウエハ温度分布が悪化することがない。

【００２１】なお、前記内部電極の構造やヒータ外径に
関しては、実際に使用する場合の条件に応じて適宜、最
適化しておけばよい。また、本発明はこれらをいずれの
組み合わせで使用するかを限定するものではない。

【００２２】以上のように、内部電極にバイアス電圧を
印加してウエハを処理するとウエハはプラズマからの入
熱により温度が上昇する。入熱量が小さい場合には問題
にならない場合もあるが、通常半導体の製造プロセスで
はウエハの温度管理をしっかり行わないとエッチング特
性が悪化する。前述したようにウエハの温度を高温に保
つためには、プラズマからの入熱がないときにはヒータ
によりセラミックス板を加熱し、処理が始まりプラズマ
からの入熱があるときにはウエハへ入射した熱を取り除
く必要がある。このための対策として、本実施例では、
図２に示すようにセラミックス板１５と水冷ジャケット
１４間に０．５ｍｍのギャップ１８を設け、このギャッ
プに１ｋＰａ以下程度の圧力のヘリウムガスを導入して
いる。２３はヘリウムガス導入口、２４はヘリウムガス
排気口である。つまり、プラズマからの入熱が無くウエ
ハを高温に保持する必要がある場合にはバルブ２５を閉
じバルブ２６を開くことによりギャップ内の圧力を処理
室と同一（通常数Ｐａ以下程度）とし、これにより真空
断熱する。一方、プラズマからの入熱によりセラミック
ス板を冷却する必要がある場合にはバルブ２５を開きバ
ルブ２６を閉じギャップにヘリウムガスを導入しセラミ
ックス板から水冷ジャケットへの熱の流れを確保し冷却
する。この際、ギャップ内のヘリウムガスの圧力はバル
ブの下流に圧力計２７を設けておき流量制御器２８の動
作を制御すればよい。

【００２３】また、ウエハを処理する処理室の圧力は前
述したように数Ｐａ以下程度であるため、ウエハ裏面と
セラミックス板間にもヘリウムガスなどの伝熱ガスを導
入する必要がある。本実施例では、内部電極に高周波電
圧と直流電圧を印加する支持部材に内蔵された中空のシ
ャフトを通じて供給される。すなわちセラミックス板の
中心に設けた貫通穴からヘリウムガスをウエハ裏面に導
入する構成となっている。

【００２４】水冷ジャケットの内部には冷却用に水を循
環させるための溝４６が設けてある。本実施例では冷却
水はクリーンルーム内に装備された冷却水を使用してい
る。溝への冷却水の流し込みと排水はフレキシブルな配
管（図示しない）を使用する。また、バルブ２５とヘリ
ウムガス導入口２３間の配管はフレキシブルな配管３０
を使用する。これにより、ウエハステージ２全体の上下
動に対応することができる。また、図中には冷却水の入
り口のみを記載し、戻り側は省略している。なお、本実
施例では、冷媒として水を利用したが必ずしも水に限る
ものではない。例えばフロリナートやガルデン（いずれ
も商品名）といたフッ素系の冷媒を使うことも可能であ
る。しかし、水を使用する場合は、冷媒を循環させる部
品（本例では水冷ジャケット）との間の熱伝達率が大き
いために、ギャップ１８のヘリウムガス圧力が同一の場
合、セラミックス板との間の熱移動量が大きく取れるメ
リットがある。逆にいえば、同じ熱移動量を確保するた
めに必要な圧力が低くてすむ。すなわち、装置設計を行
う上で、ヘリウムのシール条件が緩和されるので大きな
メリットとなる。

【００２５】ウエハの搬送は、図示しない上下機構によ
るベローズ３５の伸縮動作によりウエハステージ２を上
下動作させ、固定しているプッシャピン３２によりウエ
ハをセラミック板から引き剥がすことにより行うことが
できる。

【００２６】次に、本発明の特徴である、５００℃程度
の高温までの広い温度範囲にわたり応答性よく、かつ均
一な分布でウエハ温度を制御するためになされた対策に
ついて説明する。

【００２７】本実施例のように、セラミックス板と水冷
ジャケット間にヘリウムガスを導入する場合には、ヘリ
ウムガスのリークを抑えることが重要な技術課題とな
る。本実施例では、ウエハステージを５００℃程度の高
温領域まで使用できるように、従来技術のようなＯリン
グを使用せず、内部にコイルバネを保持した金属性のシ
ールを使用する。例えば、図２及び図３において、３１
及び３１’は水冷ジャケット１４の外周から処理室にリ
ークするのを防止するためのシール及びシール嵌入溝で
ある。また、ウエハをステージから引き剥がし搬送する
ためのプッシャピン３２の周りには径の小さな同様の機
能を有するシール３３及びシール嵌入溝を使用してい
る。また、ヒータへの給電部３４まわりや、セラミック
ス板の温度を測定するためのシース熱電対（図１、２に
は記載せず。後に説明。）のまわりにもそれぞれの部品
のサイズに合った適切な径のシール及びシール嵌入溝が
設けてあり、ヘリウムガスのリークを防止している。本
実施例のシールを使用した場合、Ｏリングとは異なり５
００℃程度の高温まで十分利用できる。また、単なるメ
タルシールの場合と比べても、内部のコイルバネの弾性
作用により締め付けトルクが小さくてすむ、熱膨張によ
りシールする部材の位置関係が多少変化しても追随して
シール効果が持続する、あるいは繰り返し使用可能であ
る、などの効果が期待できる。また、本実施例ではメタ
ルシール内に設けたバネはコイルバネであったが、その
他に板バネなども考えられる。重要なのはシールが内部
に保持した弾性を有する部材で変形可能であるという点
である。

【００２８】次の対策として、本実施例ではウエハ温度
分布を均一化するために、セラミックス板の温度分布を
均一化する。このため、セラミックス板を水冷ジャケッ
トに固定するためのボルトを通しての伝熱、及びセラミ
ックス板から水冷ジャケットへの熱の逃げあるいは水冷
ジャケット側面からの輻射による熱の逃げを低減する対
策がなされている。

【００２９】例えば、本発明ではセラミックス板を水冷
ジャケット１４に固定するボルトを介して伝導するの局
所的な熱の逃げを低減するためにジルコニアセラミック
ス製ボルト３６を使用している。ジルコニアセラミック
スは熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ程度と非常に熱伝導率が低い
上、破壊靭性値も大きく機械強度的に優れた特徴を持っ
ている。したがって、セラミックス板を固定するボルト
の材料として適している。

【００３０】また、本実施例ではセラミックスの板が５
００℃程度の高温まで加熱された場合にも、セラミック
スネジが折れることが無いよう、セラミックス板に設け
たボルト穴の径がセラミックス板の熱膨張を許容する程
度に大きする工夫がなされている。具体例で説明する。
本実施例ではジルコニアボルトはＭ４ネジであり、半径
１１０ｍｍの位置で固定するように設計されている。セ
ラミック板が室温の２０℃から５００℃に加熱された場
合、熱による半径方向の膨張はジルコニアの膨張係数が
５×10^-6（１／Ｋ）であることから、（５００−２０）
×５×10^-6×１１０＝０．２６ｍｍとなる。したがっ
て、最低でも片側０．２６ｍｍは余裕を見る必要があ
り、この場合４．５２ｍｍとなる。しかし実際には組み
立ての余裕を見てφ５としている。

【００３１】次に、本実施例ではセラミックス板からの
輻射による熱の逃げを防止する目的で、水冷ジャケット
の表面３７には鏡面研磨が施されている。水冷ジャケッ
トの表面を鏡面研磨した場合とそうでない場合の熱の逃
げを見積もってみる。本実施例ではセラミックス板の直
径は２４０ｍｍであった。セラミックス板の表面の放射
率は０．８で、水冷ジャケットの表面の放射率は鏡面研
磨しない状態では０．３、鏡面研磨した状態では０．１
であった。放射率の測定は試料を加熱して放射率を測定
する直接法や、FTIRを用いて反射スペクトルを測定し得
られた分光反射率をもとに算出する間接法で測定可能で
ある。水冷ジャケットは冷却され３０℃に保たれてお
り、セラミックス板の温度を５００℃に保った場合、研
磨しなかった場合には約２５０Ｗもの熱量が逃げること
になる。これに対し、鏡面研磨した場合では約９０Ｗと
およそ１／３程度まで低減される。

【００３２】次に、セラミックス板の外周からの熱の逃
げを低減するために、本実施例ではセラミックス板を囲
むように表面にクロムめっきを施した輻射断熱材３８を
設けている。前記輻射断熱材の効果について見積もって
みる。本実施例ではセラミックス板の厚みは２０ｍｍで
あった。輻射断熱材が無い場合、室温程度（仮に２５℃
とする）に保たれた真空チャンバの内壁（放射率０．３
と仮定する）へにげる輻射熱は約８０Ｗであるが、輻射
断熱材ありの場合（表面の放射率を０．１と仮定する）
約３０Ｗと半分以下に抑えられる。

【００３３】なお、本実施例では水冷ジャケットの上面
は鏡面研磨、輻射断熱材の表面にはクロムめっきした構
造としているが、必ずしもこのような組み合わせである
必要は無い。両方ともクロムめっきであってもよいし、
鏡面研磨であってもよい。また、セラミックス板の表面
には特に加工を施していないが、こちらの面にも表面の
放射率を下げるような材料をコーティングすることも可
能である。また、本実施例ではめっきとしてクロムめっ
きを適用しているが必ずしもこれに限るわけではなく、
そのほかの材料例えばニッケルや銅などであってもよ
い。また、本実施例では輻射断熱材はセラミック板の外
周に１個となっているが、必ずしも１個である必要は無
く複数個重ねた構造とすれば断熱効果がさらに高まり、
セラミック板の外周付近の温度分布がさらに均一化する
効果を期待することができる。

【００３４】次に、図６，７，８を用いて本発明の第一
の実施例のヒータ１６および内部電極１７への給電部の
構造を説明する。まず図６を用いてヒータへの給電部に
ついて説明する。水冷ジャケット１４に貫通穴３９を設
け、この貫通穴に嵌合するように絶縁用セラミックパイ
プ４０を挿入する。セラミック板１５には水冷ジャケッ
トの貫通穴に対応する位置に電気プラグ４１が埋め込ま
れており、内部のヒータ１６と導通している。この電気
プラグに挿入する形で端子４２がセラミックパイプを貫
通して取りつけられる。端子及びシャフトの先端付近に
は、端子と電気プラグのコンタクトを確実にするため、
図８に示すような螺旋状の導電体を円形に曲げて形成し
たバネ部材４３を嵌合してある。４４はギャップ１８内
のヘリウムガスがリークしないようにするためのシール
である。４５は配線であり、外部のヒータ電源に接続し
ている。本実施例ではヒータ給電部は１ヶ所のみの記載
としているが、実際には反対の極性のコネクタが必要で
あるので、給電部は２ヶ所となる。

【００３５】次に、内部電極１７への給電部の構造を図
７を用いて説明する。水冷ジャケットの中心に貫通穴を
設け、この中に絶縁用のセラミックパイプ４８を埋め込
んでいる。このセラミックパイプの中にはシャフト２０
と、電気絶縁用のポリテトラフルオロエチレン製の絶縁
パイプ４７を挿入する。シャフトの先端付近にはヒータ
への給電部と同様に電気コンタクトを確実にするための
バネ部材４３が設けてある。セラミックス板１５に埋め
込まれた電気プラグ５１にボルト４９で固定したガイド
５０はバネ部材４３を介してシャフト２０と接続してい
る。電気プラグ５１は内部電極１７と電気的に接続して
あり、以上の経路により内部電極に静電チャック用の直
流電圧と高周波バイアス電圧を印加することができる。
５２はヘリウムを封止するシールである。

【００３６】このように、セラミックス板内に形成した
内部電極及びヒータに給電する部分の接続構造をセラミ
ックス板の下側からバネ部材を介して接続する構造とし
ているのでセラミック板の着脱を容易に行うことができ
る。また、ばねの弾性変形を利用しているので電気接触
が確実になり、接触不良を起こすことことがない。ま
た、バネの弾性変形により電気接触が確実となるので、
セラミックス板が高温になって熱膨張し、プラグ側との
隙間が変化した場合にも接触が持続できるという効果も
期待できる。したがって、広い温度範囲にわたり電気接
続を実現可能となる。

【００３７】次に、ヒータの出力、ヘリウムガス圧を決
定するために必要なセラミックス板の温度測定方法を図
９により説明する。水冷ジャケット１４の一部に貫通穴
５４を設け、この貫通穴に対応するセラミックス板１５
の裏面にくぼみ５３を設ける。くぼみの直径は、シース
熱電対の直径にセラミックス板の最高使用温度における
熱膨張を許容できる余裕を見た程度とするのが望まし
い。例えばシース熱電対の直径が３ｍｍ、温度が５００
℃、取りつけ位置が半径８０ｍｍの位置の場合、室温２
０℃からの膨張は、ジルコニアの膨張係数が５×10
^-6（１／Ｋ）であることから、（５００−２０）×５×
10^-6×８０＝０．１９ｍｍとなる。したがって、最低で
も片側０．１９ｍｍは余裕を見る必要があり、この場合
３．３８ｍｍとなる。しかし実際には組み立ての余裕を
見て４ｍｍとしている。このくぼみの底面に先端が接触
するようにシース熱電対５５を挿入する。先端の接触状
態が変化すると測定する温度が変化してしまうので、本
実施例では熱伝対に鍔５６をもうけ、この鍔の部分にコ
イルバネ５７を嵌合し、更に支持部材５９に固定したお
さえ５８によりシース熱電対全体をセラミックス板１５
方向に押圧している。

【００３８】したがって、セラミックス板の取り付けの
状態が多少変化してもシース熱電対の先端とセラミック
ス板の接触圧力は常にほぼ一定となり再現性のよい温度
測定方法を提供することができる。

【００３９】このほかのセラミックス板の温度測定法と
しては、放射温度計を利用することが考えられる。この
場合、放射温度計の先端はセラミックス板と非接触でよ
いので、接触の状態を一定に保つといった機構は不要と
なる利点がある。

【００４０】以上の温度測定法では直接ウエハの温度を
測定することはできない。しかしながら、あらかじめセ
ラミックス板とウエハ温度の相関関係を実験により明ら
かにしておけば、ウエハ温度を予想することは可能であ
る。また、ウエハには直接温度測定用のプローブを接触
させることが無いので裏面異物を増加させるといった心
配が無い。

【００４１】以上説明したように、本実施例の構成によ
れば、セラミックス板を加熱する場合には、セラミック
板と水冷ジャケットとのギャップ内を真空引きして断熱
し、ヒータに電力を投入することで高速にセラミックス
板を加熱することができる。また、ウエハ処理時にプラ
ズマから入熱がある場合にはセラミックス板と水冷ジャ
ケットに間にヘリウムガスを流すことにより前記入熱を
取り除くことができ、これによりウエハ温度を一定に保
つことができる。またシールにはＯリングを使用せず内
部にコイルバネを保持した金属性のシールを使用してい
るので、５００℃程度の高温まで幅広い温度範囲でウエ
ハを処理することが可能となる。また、セラミックス板
は水冷ジャケットに溶接されているわけではないので、
交換が必要な場合にはセラミックス板のみを容易に交換
することができる。

【００４２】なお、本実施例では、シールとしてコイル
バネを内蔵した金属製のシールを使用したが、必ずしも
これに限る必要はなく、例えば耐熱温度の高い高分子材
料のシールなどを使用してもよい。この場合、金属性の
シールに比べ剛性が低いのでセラミックス板を固定する
ためのボルトの締め付けトルクが小さくてすむという効
果が期待できる。

【００４３】また、セラミックス板を固定するボルトを
ジルコニアセラミックスとしているので、ボルトを介し
てにげる熱量が小さくてすみ、ヒータに投入する電力が
小さくランニングコストを下げることができる。また、
セラミックス板の外周付近からの熱の逃げが少なくてす
むので外周付近の温度低下を抑える事ができ、結果とし
てウエハ温度分布の均一性を損なうことが無い。

【００４４】また、セラミックス板の周りを輻射断熱効
果の高い構造としているのでセラミックス板に投入する
ヒータ電力を低減することができるためランニングコス
トを抑える効果が期待できる。また、セラミックス板の
外周からの輻射による熱の逃げが抑えられるので、セラ
ミックス板外周付近の温度低下を防止することができ、
結果としてウエハ面内温度分布を均一にすることができ
る。

【００４５】次に、実際の生産現場で本発明の処理装置
を使用する場合において作業者が設定すべき設定項目、
特にウエハの温度を設定するための設定項目（例えばＲ
Ｆバイアス電力、ヒータ出力、ウエハ裏面のヘリウム圧
力、ギャップのヘリウム圧力）について説明する。

【００４６】図１０は、本実施例の処理装置でＲＦバイ
アスを５００Ｗ、ウエハ裏面のヘリウムガス圧力を１ｋ
Ｐａとし、ギャップ１８のヘリウム圧力をパラメータと
した場合のヒータ出力とウエハ温度の関係を表すグラフ
である。このグラフはあらかじめ実験、もしくは計算に
より算出することができる。このようなグラフを各バイ
アス電力ごとに用意しておく。従って、作業者はこのグ
ラフを用いればこれから処理する条件でのウエハ温度を
容易に予測することができる。また、逆に必要なウエハ
温度がどのヒータ出力、ギャップのヘリウム圧力で実現
できるか読み取ることができるので、作業効率を改善す
ることができる。

【００４７】図１１は、この手順を自動化した例を示し
ている。この例では、まず作業者が希望の処理温度、ウ
エハ裏面のヘリウム圧力、ＲＦバイアス電力を設定する
（ステップ１）。この情報はコンピュータへおくられ、
内部に用意された図１０に示す情報を元に演算処理し
（ステップ２）、必要なヒータ出力、ギャップのヘリウ
ム圧力を計算する。結果は、最終的に作業者が手動で設
定する場合には、表示器に出力する（ステップ４）。ま
た、計算結果を元に自動で処理する場合にはヒータの制
御装置及びギャップへヘリウムを流す流量制御器２８を
制御する（ステップ５）。

【００４８】これらの方法の利点は、はじめに作業者が
新しいプロセスを実施する場合に条件を容易に設定しや
すいという点にある。なお、前記ウエハの温度を設定す
る設定項目としては、前述の例の他に冷媒の温度、流量
も考えられるが、冷媒として水を数リットル毎分流す程
度の場合には、あまり問題になることが無いのでここで
は省略した。しかし、温度に影響するような領域での使
用条件であるならば、あらかじ設定項目として考慮して
おくことはウエハ温度制御の観点から重要である。

【００４９】以上説明したように本発明の第一の実施例
によれば、広い温度範囲においてウエハの温度を均一
に、少ない電力で処理可能である。また、本実施例を拡
張することで処理中の温度分布をアクティブに変更する
ことが可能となる。以下にそれを説明する。

【００５０】図１２は、本発明の第二の実施例である。
本実施例ではセラミックス板６０の内部に設けたヒータ
を外周ヒータ６１と内周ヒータ６２で独立させた構造と
なっている。また、図示しないがウエハ内周付近の温度
と外周付近の温度をそれぞれ測定すべくシース熱電対を
半径方向に２箇所設けている。これら２個の温度計で測
定された温度情報にもとづき各ヒータに投入する電力を
制御することができる。なお、図８では簡略化のために
プッシャピン機構は省略している。

【００５１】このような構成であれば、ウエハ面内に温
度分布を発生させたい場合、各ヒータの投入電力を変更
することにより容易に実現可能となる。これにより所望
のエッチング特性を得ることが可能となる。

【００５２】本実施例ではヒータは中心付近と外周付近
の２つの領域に分割されていたが、必ずしも２分割であ
る必要は無く、異なるパターンであってもよいし、３分
割でもよい。必要なウエハ温度分布を実現するように適
宜決定されるべきものである。

【００５３】図１３には本発明の第３の実施例を示す。
本実施例では水冷ジャケット６３とセラミックス板１５
間に設けたギャップ内に内周と外周を分割するように凸
部６４を設け、内周と外周に独立にヘリウムを導入、排
出する機構を設けている。図中には内側導入口６５と外
側導入口６６のみを記載し、ヘリウムの排出口は記載し
ていない。また、簡略化のために、プッシャピン機構及
びヒータ給電部は省略している。このような構成におい
て、内側領域及び外側領域のヘリウムガス圧力を変化さ
せればセラミックス板との熱コンダクタンスを変化させ
ることができるため、結果的にウエハ温度分布を制御す
ることが可能となる。本実施例では、分割する凸部には
特にシールを設けていないが、コンダクタンスが十分小
さいので内側と外側に圧力差をつけることができる。し
かし、必要なら凸部にシール部材を設ければより厳密に
内側と外側の圧力を制御することが可能となる。

【００５４】以上の各実施例ではウエハ裏面とセラミッ
クス板間に導入するヘリウムはすべて中心から導入して
いた。しかし、必ずしもそうである必要は無く、ウエハ
外周付近に導入してもよいし、中心と外周の両方から導
入してもよい。装置設計のしやすさ、望ましいウエハ温
度分布などの観点から適宜決定されればよい。

【００５５】また、本発明の第二、第三の実施例を組み
合わせて実施すれば、処理中のウエハの温度、もしくは
ロット内のウエハの温度、もしくはロット間のウエハの
温度をさらに効果的に制御することが可能となる。

【００５６】また、以上の各実施例ではウエハを固定す
るための静電チャックは内部電極が単極のいわゆるモノ
ポール方式と呼ばれるものであったが、必ずしもこれだ
けに限定されるべきものではない。すなわち、静電チャ
ック用の内部電極として独立した２個の電極を有するい
わゆる双極方式と呼ばれる方式であってもよい。この方
式では、内部に２個の電極を必要とするので構造が複雑
となる、あるいは電源が２個必要となるなどの欠点はあ
る。しかし、プラズマが発生していなくともウエハを吸
着することができるため、すなわちプラズマ処理を開始
する前からウエハ裏面に冷却ガスを導入することができ
るため温度制御性に優れるという利点がある。

【００５７】また、以上の各実施例の処理装置のプラズ
マ源は誘導結合方式のプラズマであることを前提とした
が、必ずしもこの方式に限定されるべきものではない。
例えば、平行平板方式のプラズマ源であってもよいし、
ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式やマイクロ波方式、あるい
は数１０ＭＨｚから３００ＭＨｚ程度までのＶＨＦ帯を
用いたプラズマ方式でもよい。これ以外にも、たとえば
磁場を用いたマグネトロン型のプラズマ処理装置などで
あってもよい。これの方式の内、いずれのプラズマ現を
採用するかは、実際に処理すべき材料の特性にあったも
のを採用すべきものであり、適宜選択すればよい。

【００５８】次に本発明の第四の実施例を図１４、１５
を用いて説明する。半導体ウエハを５００℃のような高
温で処理する場合、半導体ウエハを急激に加熱すると熱
衝撃により割れる場合がある。そこで本実施例では、半
導体ウエハを処理室内のウエハステージ上に搬送後、所
定時間保持して予熱するプロセスを導入する。図１４に
ウエハステージの温度（３００℃、４００℃、５００
℃）毎に半導体ウエハの温度上昇特性を示す。この図か
ら、ウエハステージの温度毎の時定数（ｔ秒）がわか
る。

【００５９】図１５は、ウエハの搬送処理を示すフロー
チャートである。図に示すようにウエハの搬送処理は、
半導体ウエハを処理室内に搬入し（ステップ１）、搬入
したウエハをウエハステージ上で保持した状態で、処理
プロセス毎に異なる所定時間（例えば前記時定数時間）
予熱する（ステップ２）、予熱が終了したらウエハをウ
エハステージ上に載置する（ステップ３）。次いでウエ
ハにプラズマ処理を施し（ステップ４）、処理が終了し
たらウエハを搬送室に搬送する（ステップ５）。次いで
搬送室に窒素ガスを導入してウエハを冷却し（ステップ
６）、所定温度まで冷却したらウエハを取り出す。

【００６０】このように本実施例では、所定時間の予熱
時間を設けている。このプロセスは１枚あたりのウエハ
の処理時間を増加させるが、ウエハの熱衝撃による割れ
を防ぐことができる。このため、本実施例の処理方法で
は結局は装置の稼働率改善の効果を期待することができ
る。

【００６１】一方、ウエハを搬出する場合には、半導体
ウエハを処理室からバッファ室（搬送室）に移動後、ウ
エハ温度を下げるプロセスが必要である。そこで本実施
例では、バッファ室に移動後、ウエハを取り出さない状
態で窒素ガスを導入し、バッファ室のチャンバに熱を移
動させてウエハを冷却する。この方法を使えば簡便にウ
エハを冷却することができ、作業者が誤って触れた場合
などにも安全である。

【００６２】以上の実施例では、セラミックス板内に内
部電極とヒータを内蔵した構造としたが、その他の高温
エッチング対応のウエハステージについて説明する。

【００６３】図１６には本発明の第五の実施例を示す。
本実施例では、内部にヒータ配線７０を内蔵したセラミ
ックヒータ６９と、アルミ基材６７の表面にセラミック
スの溶射膜６８を設けた構造体をロウ付けして一体化
し、この構造体をジルコニアボルト３６を用いて水冷ジ
ャケット１４に固定している。この例では溶射膜６８が
静電チャック用の誘電体膜として機能する。アルミ基材
への給電はシャフト２０により行われており、アルミ基
材とシャフトの電気接触部には第一の実施例同様にコイ
ルバネ状のバネ部材を使用しており広い温度範囲での使
用を可能にしている。したがってシャフトを介して第一
の実施例と同様に直流電圧とＲＦバイアス電圧を印可す
れば、ウエハを吸着固定しＲＦバイアスを印加すること
ができる。セラミックスヒータと水冷ジャケットとの熱
のやり取りは、第一の実施例と同様、ギャップ１８にヘ
リウムガスを導入しており、処理室へのリークを抑える
シールは第一の実施例同様に内部に弾性を有する構造体
を内蔵した金属製のシールである。また、アルミ基材と
セラミックスヒータの外周には輻射による熱の逃げを防
止する輻射断熱材３８を設けている。この様な構成とす
れば、第一の実施例と同様な効果を期待できるほか、静
電チャック用の誘電膜を製造コストの低い溶射法により
製作できる点があげられる。

【００６４】図１７には本発明の第六の実施例を示す。
本実施例では、アルミ基材６７とセラミックスヒータ６
９を、アルミ板７１を挟んでジルコニアセラミックボル
ト３６で固定している。アルミ板７１の作用はアルミ基
材６７とセラミックヒータ６９の熱接触を改善すること
である。したがって、必ずしもアルミである必要は無
く、その他の金属、熱伝導グリースなど、熱伝導を改善
するものであれば何であってもよい。セラミックヒータ
６９は水冷ジャケット１４に対して、セラミックスボル
ト７３で固定されている。その他の構成は第五の実施例
と同様、第一の実施例の技術が適用されている。したが
って、この様な構成であれば第一の実施例と同様の効果
を期待できるほか、静電チャック用の誘電膜を製造コス
トの低い溶射法により製作できるだけでなく、アルミ基
材のみを容易に着脱可能であるため、静電チャックの交
換にアルミ基材のみの交換ですみ、コストが安い、メン
テナンス性がよいといった効果を期待できる。

【００６５】以上説明したように本発明の各実施例によ
れば、低温から高温までの広い範囲にわたりウエハを均
一な温度分布で、処理中も温度変動を少なく保持するこ
とができる。したがって、通常のプロセスではエッチン
することができないような不揮発性材料もエッチング処
理することができるようになる。

【００６６】また、低温から高温までの広い温度範囲で
処理中のウエハ温度分布をアクティブに制御することが
可能となる。ウエハを高温に加熱する場合において熱衝
撃により割れることのない処理方法を提供することがで
きる。更にウエハを搬出する場合にも作業者が高温のウ
エハに触れた場合においても安全な処理方法を提供する
ことができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、広
い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保つことができ
るウエハステージを提供する。また、ウエハに温度変化
による障害を与えることのないウエハ処理方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。

【図２】図１に示すウエハステージの拡大図である。

【図３】水冷ジャケットの斜視図である。

【図４】内部電極の拡大図である。

【図５】内部電極の拡大図である。

【図６】ヒータへの給電部の構造を説明する図である。

【図７】内部電極への給電部の構造を説明する図であ
る。

【図８】端子あるいはシャフトとその先端付近に嵌合す
るバネ部材を説明する図である。

【図９】セラミックス板の温度測定方法を説明する図で
ある。

【図１０】ヒータ出力とウエハ温度の関係を示す図であ
る。

【図１１】ウエハの処理条件を自動的に予測する手順を
説明するである。

【図１２】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図１３】本発明の第３の実施例を示す図である。

【図１４】本発明の第４の実施例を示す図である。

【図１５】本発明の第４の実施例を示す図である。

【図１６】本発明の第５の実施例を示す図である。

【図１７】本発明の第６の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…ウエハステージ、３…流量制御器、４
…ゲートバルブ、５…高周波電源、６…プラズマ、７…
コイル、８…高周波電源、９…真空チャンバ、１０…ベ
ルジャ、１１…エッチングガス、１２…バルブ、１３…
ターボ分子ポンプ、１４…水冷ジャケット、１５…セラ
ミックス板、１６…ヒータ、１７…内部電極、１８…ギ
ャップ、１９…給電ライン、２０…シャフト、２１…コ
イル、２２…直流電源、２３…ヘリウム導入口、２４…
ヘリウム排気口、２５…バルブ、２６…バルブ、２７…
圧力計、２８…流量制御器、２９…貫通穴、３０…フレ
キシブルな水配管、３１…シール、３２…プッシャピ
ン、３３…シール、３４…ヒータ給電部、３５…ベロー
ズ、３６…ジルコニアセラミックス製ボルト、３７…水
冷ジャケット表面、３８…輻射断熱材、３９…貫通穴、
４０…絶縁用セラミックスパイプ、４１…電気プラグ、
４２…端子、４３…バネ部材、４４…シール、４５…配
線、４６…溝、４７…絶縁パイプ、４８…セラミックス
パイプ、４９…ボルト、５０…ガイド、５１…電気プラ
グ、５２…シール、５３…くぼみ、５４…貫通穴、５５
…シース熱電対、５６…鍔、５７…コイルバネ、５８…
おさえ、５９…支持部材、６０…セラミックス板、６１
…外周ヒータ、６２…内周ヒータ、６３…水冷ジャケッ
ト、６４…凸部、６５…内側導入口、６６…外側導入
口、６７…アルミ基材、６８…溶射膜、６９…セラミッ
クスヒータ、７０…ヒータ配線、７１…アルミ板、７２
…ボルト、７３…セラミックスボルト、７４…伝熱体、
７５…サセプタ、７６…第二の内部電極

フロントページの続き (72)発明者 西尾 良司 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括 本部笠戸事業所内 (72)発明者 金井 三郎 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括 本部笠戸事業所内 (72)発明者 木原 秀樹 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括 本部笠戸事業所内 (72)発明者 奥田 浩司 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括 本部笠戸事業所内 Ｆターム(参考） 5F004 BA20 BB22 BB25 BB26 CA04 DB13 5F031 CA02 HA02 HA03 HA19 HA33 HA37 HA38 HA39 HA58 JA01 JA21 JA46 MA32 NA04 NA05 PA30

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却液循環路を内蔵した液冷ジャケット
   並びにヒータ及び静電チャック用の電極を内蔵し且つ前
   記液冷ジャケット上に取り付けられたセラミック板から
   なり、該セラミック板上にウエハを載置してウエハ処理
   を行うウエハ処理装置用のウエハステージであって、 前記液冷ジャケットは該液冷ジャケット上に形成した冷
   却ガス循環用ギャップを介して前記セラミック板を取り
   付けると共に、前記液冷ジャケットと前記セラミック板
   間には前記冷却ガスを封止するための弾性体を内蔵した
   耐熱性のシール材を配置したことを特徴とするウエハス
   テージ。
2. 【請求項２】 請求項１の記載において、 前記冷却ガス循環路は前記液冷ジャケットに設けた凸部
   により相互に独立した複数の循環路に分割したことを特
   徴とするウエハステージ。
3. 【請求項３】 請求項１ないし請求項２の何れか１の記
   載において、 前記セラミック板に内蔵したヒータは相互に独立した複
   数のヒータに分割したことを特徴とするウエハステー
   ジ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３の何れか１の記
   載において、 前記セラミック板はジルコニアセラミック製の締結具に
   より液冷ジャケットに取り付けたことを特徴とするウエ
   ハステージ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４の何れか１の記
   載において、 前記ヒータまたは静電吸着用の電極はセラミック板に内
   蔵した筒状プラグ、及び該筒状プラグに挿入可能なバネ
   部材を嵌合した棒状端子を備えたことを特徴とするウエ
   ハステージ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５の何れか１の記
   載において、 前記液冷ジャケットは前記セラミック板との対向面に鏡
   面加工またはめっき加工を施したことを特徴とするウエ
   ハステージ。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項５の何れか１の記
   載において、 前記セラミック板の外周には内表面を鏡面加工またはめ
   っき加工を施した輻射断熱材を配置したことを特徴とす
   るウエハステージ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項５の何れか１の記
   載において、 前記耐熱性のシール材は金属製または耐熱高分子材料製
   のシール材であることを特徴とするウエハステージ。
9. 【請求項９】 冷却液循環路を内蔵した液冷ジャケット
   並びにヒータ及び静電チャック用の電極を内蔵し且つ前
   記液冷ジャケット上に取り付けられたセラミック板から
   なり、ウエハ搬送手段により該セラミック板上にウエハ
   を載置してウエハ処理を行うウエハ処理方法であって、 ウエハ搬送手段はウエハを前記セラミック基板上に搬送
   する工程と、ウエハを前記セラミック基板上に所定時間
   保持して予熱する工程と、予熱した基板をセラミック基
   板上に載置する工程を備えたことを特徴とするウエハ処
   理方法。
10. 【請求項１０】 冷却液循環路を内蔵した液冷ジャケッ
    ト並びにヒータ及び静電チャック用の電極を内蔵し且つ
    前記液冷ジャケット上に取り付けられたセラミック板か
    らなり、ウエハ搬送手段により該セラミック板上にウエ
    ハを載置してウエハ処理を行うウエハ処理方法であっ
    て、 ウエハ搬送手段はウエハを前記セラミック基板上に搬送
    する工程と、ウエハを前記セラミック基板上に所定時間
    保持して予熱する工程と、予熱した基板をセラミック基
    板上に載置する工程と、処理後のウエハをバッファ室に
    搬送して予冷する工程と、予冷後のウエハを搬出する工
    程を備えたことを特徴とするウエハ処理方法。