JPH0614520B2 - 低圧雰囲気内の処理装置 - Google Patents

低圧雰囲気内の処理装置

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JPH0614520B2
JPH0614520B2 JP58243869A JP24386983A JPH0614520B2 JP H0614520 B2 JPH0614520 B2 JP H0614520B2 JP 58243869 A JP58243869 A JP 58243869A JP 24386983 A JP24386983 A JP 24386983A JP H0614520 B2 JPH0614520 B2 JP H0614520B2
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、空内において基板に食刻,成膜,ベーキング
処理等の処理を行う低圧雰囲気内の処理装置に関するも
のである。
詳しくはドライエッチング装置においては、基板がプラ
ズマから受ける熱により加熱されて基板上のフォトレジ
ストが変質しないように基板を冷却するための装置、ま
た、基板の脱ガスのためのベーキング処理においては基
板を効果的に加熱する必要があるため、この基板を加熱
する装置、また蒸着、スパッタ蒸着装置などにおいて生
成膜の粒径、光学的反射率などの制御のために必要な基
板の温度制御装置に関するものである。
〔発明の背景〕
低圧雰囲気内の処理装置では、基板と基板支持台間の熱
の授受は、常圧における熱の授受のように十分には行な
われないことが知られている。これは、2面間の熱の授
受には介在気体分子が大きな役割を果たしているからで
ある。
そのため、単に、基板支持台の温度制御を行っただけで
は、基板の温度制御を効果的に行うことはできない。
そこで、2面間の熱の授受を効果的に増大する方法がい
くつか知られている。
この従来の基板温度制御装置は、特開昭58−32410号に
示すように第1図に示す如く構成されている。
即ちこのスパッタリングまたはドライエッチング等の処
理装置は、主に真空室10、スパッタ源19、陽極20、及び
基板支持台12から構成されている。
そして真空室10は排気装置18により低圧まで排気され
る。陰極であるスパッタ源19と陽極20との間で放電を発
生し、生じたイオンがスパッタ源19にたたかれることに
より分子がとび出し、基板支持台12に支持された基板15
に達し、基板15上にスパッタ源と同じ材質の薄膜が形成
される。
ここで、基板支持台12内には導管11が設けられていて、
管5を通じて水供給装置2から、温度が制御された水が
流されることにより、基板支持台12は適当な温度に保た
れる。
基板15は、バネ14を設けた基板支持具13により全周にわ
たって均一な荷重で押え付けられている。またこの時基
板15と基板支持台12との間にはOリング17が設けられて
いて、ガス室16が作られ、このガス室はOリング17によ
り真空室10からシールされている。
ここで、ガスだめ4は、ガス圧計8、制御系9、及び弁
3により、ガス供給源1からのガス流入量が制御され
る。基板15と基板支持台12との間隙に形成されるガス室
16は弁6およびガス管7を通して上記ガスだめ4と結合
され、常に一定の圧力に制御されている。
以上の従来の処理装置においては、基板15と基板支持台
12との間に設けられたガス室内の気体分子により、基板
15と温度制御された基板支持台との間の熱の授受が行な
われ、基板を単に基板支持台12上に載置した場合より効
果的な基板温度制御が行なわれる。
しかしながら、この従来の処理装置において、次のよう
な問題点を有していた。
即ち例えば、基板15を厚さt=0.5mm、半径a=50mmの
シリコン基板とし、ガス室16内の圧力Pを1000Pa、真空
室10内の圧力はPより十分小さいとした場合、基板はガ
ス室16内の気体の圧力により変形を受け、中心から半径
方向にγの位置での変形量δγは以下の式(1)に従う。
ここで、E、Vはそれぞれシリコンの縦弾性係数および
ポアソン比で、E=13.1×1010(N/m2)、V0.3と
する。
この時、基板中心すなわちγ=0の位置での変位量δ0
は約270μmになる。
この値は、ガスとしてHeを用いた時の適切なガス室16の
厚さ134μmを大きく上まわっている。すなわち、設計
どおりの効果が得られないことになる。
さらに、高い熱伝導性を持つHeであっても、ガス室16中
の気体による十分な伝熱効果が得られないわけであるか
ら、アルゴンなど真空室10内の処理ガスと同種のガスを
用いた場合、ヘリウムに見られるような高い伝熱効果を
得られないのは明白である。
以上のように、従来の基板温度制御方法では、高伝導性
ガスであるヘリウムを用いても十分な伝熱特性を得られ
ないし、ガス室16内のガスを真空室10内のガスと同種の
ものを用いた場合、現実的にはガス室16による効果的な
伝熱特性は得られないという問題点を有していた。
さらに、Oリングのシール効果が発生するOリングのつ
ぶししろまで、基板15を押えつけることは、基板の機械
的強度の観点から不可能である。
そこで、どうしても気体のもれが発生してしまい、真空
室10内に導入する処理気体と異なる気体を伝熱用気体と
した場合、リークした伝熱用気体が真空室10内の処理に
悪影響を及ぼすという問題点も有していた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、低圧雰
囲気内で食刻、成膜、ベーキングなど、処理を行う装置
において、基板の温度制御を効果的に、かつ、均一に行
なうことができるようにした低圧雰囲気内の処理装置を
提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するために、基板と基板支持
台の間隙距離が、間隙内に存在する気体の平均自由行程
より小さい範囲では、2面間の熱の授受量は、任意の圧
力において気体の種類には依存しないことに着目し、基
板支持台を凸面にして基板が気体圧力により凸に変形し
た場合でも気体層の厚さもその気体の平均自由行程より
小さくすることにより効果的な2面間の伝熱特性を高伝
導性気体以外の気体においても良くしたことにある。
〔発明の実施例〕
以下本発明を図に示す実施例にもとづいて具体的に説明
する。
即ち第2図を用いて本発明の特徴点を具体的に説明す
る。
基板と基板支持台間の気体層の厚さをdとして、気体層
の圧力を変えた時単位温度差当りに2面間を単位時間、
単位面積あたり通過する熱量(熱通過率)の変化をヘリ
ウム、ちっ素、四塩化炭素について実験により測定した
のが第2図である。
更に本発明の一実施例を第3図,第4図および第5図に
もとづいて具体的に説明する。
本実施例は、真空室24、上部電極30、下部電極37、高周
波電源42から主に構成される平行平板形のドライエッチ
ング装置である。
真空室24は、排気系41により低圧まで排気され、真空計
39及び制御系40により定圧にされ処理気体導入口25から
処理気体である例えば四塩化炭素が導入される。また、
上部電極30および絶縁物38を介した下部電極37間には、
高周波電源42から高周波が印加され、処理気体はプラズ
マ状態になり、下部電極37上の基板34の表面が表面のレ
ジストにより形成されたパターン通りに食刻される。
この図から明らかなように、気体層の厚さdを10μm以
下にすると、圧力400Pa程度まではちっ素および四塩化
炭素を気体層に用いても例えば四フッ化炭素、酸素、ヘ
リウムを用いた場合と同様の熱通過率を得られる。
すなわち、気体層の厚さは常時10μm程度以下にしてお
くと伝熱効果は大きい。
また、ガスの圧力は、気体の種類にもよるが、気体層の
厚さが10μm程度(機械的接触の限界)であれば、約13
00Pa以上にしても熱通過率は上昇せず、意味がない。
さらに、例えば半径50mmの基板が1300Paの気体から受け
る荷重は1kgであり、これ以上の荷重を加えるのは基板
の破壊の起こる可能性が出てくる。従って1300Pa程度が
限界だと考えられる。
この図において、直線部21は、気体分子の平均自由行程
が、気体層の厚さより十分大きい場合であり、気体の圧
力とともに線形に熱通過率は上昇し、気体層の厚さや気
体の種類に関係しない。
一方、直線部22は、気体分子の平均自由行程が、気体層
の厚さより十分小さい場合であり、気体層の厚さが大き
くなると熱通過率は下がる。この時熱通過率は、同種の
気体であれば圧力が大きくなっても変化しない。
また曲線部23はこれら2つの場合の過渡的な状態であ
る。
ここで、下部電極37は、内部に導管32が設けられてい
て、流体供給源43から、設定温度に保たれた流体が供給
され、設定温度に保たれる。下部電極37を設定温度に保
つ方法としては、流体を流す方法に限らず、ヒートパイ
プと冷却源あるいは発熱導線などを用いる方法であって
もさしつかえない。
基板34は、バネ36が設けられた環状または3〜4点のつ
めからなり駆動系29により駆動される基板支持具35によ
り総加重3〜4kgで押えつけられる。
さらに、伝熱用気体が、流量制御装置46および真空計45
により圧力が制御された気体だめ44から導管47を通じ下
部電極37に導入され、第4図に示したように円48上に設
けられた直径1mm程度の多数の気体導入穴31を通じ、基
板34と下部電極37が作る間隙に送られる。
また、気体導入口25を通じ真空室24内に導入される気体
および下部電極37を通じ真空室24内に導入される気体は
合せて一本の導管28から供給され、流量制御装置27によ
り制御され、気体供給源26から真空室に供給される気体
の総量を制御する。
また、下部電極37は、凸面形状に加工され、表面は、表
面荒さ3.2S程度まで研摩されている。
この時、凸面の形状は、式(1)に従うか式(1)よりやや大
きく加工される。これは、気体が導入されて基板が裏面
から荷重を受けてもさらに変形しないようにするためで
あり、そ結果基板34は下部電極37に密着し、かつ必要以
上に基板を変形させずにすむ。
以上の装置構成において、基板の温度制御が行なわれる
過程について説明する。
気体導入穴31から基板34の裏面に導入された気体は、2
面の間隙を通して真空室24内に排気される一方、円48の
内部にも導入され、円48の内部の気体の圧力は気体導入
穴31における気体の圧力と同じ値になる。この定常状態
になるまでの時間は、3.2S程度の面とシリコン基板と
の間隙であれば数秒とかからないことが実験により確認
されている。
また、真空室24側に排気される段階で、円48の外側に
は、圧力の勾配が生じる。これは、間隙距離10μmとい
うこの部分の持つコンダクタンスによるものである。
この時の、気体層33の半径方向の圧力分布を第5図に示
す。
この時、基板34上の多くの点において、裏面の気体層33
の圧力は設定圧力例えば700Paにしておくとすると、第
2図に示したグラフより明らかなように、ヘリウム,窒
素,四塩化炭素(この他の気体においても同様だと考え
られる。)などの気体全てにおいて、熱通過率300W/m2
・degという大きな値を示す。
ここで、円48の外側の部分では基板裏面の圧力が低い
が、基板自身のもつ熱伝導性が気体層の持つ熱通過率に
比べて十分大きいため、基板中心との温度の差は問題に
ならない。
ここで、高周波電源42により約200Wの電力を印加し、
シリコン基板上のアルミニウム膜をドライエッチングし
た場合の基板の温度は、下部電極を20℃に設定した場
合、30℃程度であった。これは、基板を単に載置した場
合の250℃という値に比べると極めて良好な値である。
さらに、下部電極37を通じ真空室24に導入される気体の
量を測定してみると、直径100mmのシリコン基板を3.2S
面に研摩した下部電極上に載置し、気体層の圧力を1000
Paにし、半径45mmの円周上に設けた気体導入穴から導入
した場合のリーク量は、約0.02〜0.03Pa・m3/sec程度
であり、ドライエッチングを行う場合の通常の反応気体
流量である0.5〜2Pa・m3/secに比べ1〜2桁小さい値
になっており、さらに、10-2Pa〜10-1Paの低圧雰囲気で
処理を行う電子磁共気鳴によるマイクロ波プラズマ処理
装置における反応気体流量0.04〜0.06Pa・m3/secより
も少い値になっている。このため、マイクロ波放電によ
るプラズマ処理装置における基板温度制御装置としても
用いることもできる。
また、基板支持台を400〜500℃に熱した状態で基板のベ
ーキングに用いた場合、基板温度Tは以下の式(2)によ
り上昇する。
ここで、T0,Teはそれぞれ基板の初期温度、電極の温
度、λは基板全面における熱通過量、cは基板の熱容量
である。ここで、λ=3.4W/deg、c=5.8J/deg、To
=20℃、Te=400℃とすると、約4秒で360℃まで上昇す
ることになる。この値は、実験によってもほぼ近い値が
でている。
さらに、本発明は、真空中における基板温度制御が必要
となる本実施例に説明していない他のプロセス処理に適
用できることは当業者にとって明らかである。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、基板と基板支持台
との間隙に700Pa前後の気体を介在させた上で、間隙距
離を10μm程度以下にすることができるので高伝導性気
体であるヘリウム以外の処理気体に用いる分子量の大き
いプロセス処理気体を用いても基板と基板支持台との間
の熱通過率を大きくでき、これにより、良好な温度制御
特性を得られ、かつ、伝熱用気体に処理気体と同種の気
体を使用できるので伝熱用気体のリークの問題をも解決
することができる効果を有する。更に、基板は伝熱用気
体を介して基板支持体とだけ熱の伝達を行っており、且
つ、伝熱用気体の導入部を小穴で形成して基板と基板支
持体との間の熱伝達率の分布への影響が極力小さくなる
ように構成してあるので、分布が小さく均一性の優れた
基板温度の制御が行えるという効果を有する。また、基
板支持台の内部に温度制御された流体を循環させること
と、伝熱気体による基板と基板支持台との熱伝達とを組
み合わせることにより、基板の加熱・冷却を容易に行え
るという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の処理装置を示す縦断面図、第2図は熱通
過率と気体圧力の関係を示した図、第3図は本発明の一
実施例を示す縦断面図、第4図は下部電極および基板の
透し図、第5図は気体層の圧力分布を示す図である。 24……真空室、31……気体導入穴 33……気体層、34……基板 35……基板支持具、37……下部電極 44……気体だめ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−213434(JP,A) 特開 昭57−145321(JP,A) 特開 昭58−32410(JP,A) 特開 昭56−131931(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低圧雰囲気中の処理装置であって、低圧雰
    囲気の処理室内に、処理する基板を支持する支持台と、
    前記基板を前記支持台に押しつける押しつけ部材を有
    し、前記支持台は内部に温度制御された流体を流す流路
    を設け、前記支持台の前記基板を支持する支持面は中央
    部が高い凸状に形成され、かつ前記支持面には多数の小
    孔を有し、前記支持台と前記押しつけ部材により前記支
    持台に押しつけられる前記基板との間に、0.02〜
    0.03Pa・m3/Sの流量で前記多数の小孔から圧
    力を調整された気体を導入し、前記処理室から排気する
    ことを特徴とする低圧雰囲気内の処理装置。
  2. 【請求項2】前記多数の小孔は、前記支持台の前記支持
    面上で支持する基板の外周に近い位置に設けられ、前記
    低圧処理雰囲気内に導入する気体と同種の気体を、前記
    多数の小孔から前記基板と前記支持面との間に導入する
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の低圧雰囲
    気内の処理装置。
  3. 【請求項3】前記支持台と前記基板との間に導入される
    気体は、前記支持台と前記基板とのギャップが10μm
    以下になるように圧力を調整することを特徴とする特許
    請求の範囲第2項記載の低圧雰囲気内の処理装置。
  4. 【請求項4】前記支持台の内部に設けた流路には、温度
    制御された流体を前記支持台の温度を制御することを特
    徴とする特許請求の範囲第3項記載の低圧雰囲気内の処
    理装置。
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