JPH06244143A

JPH06244143A - 処理装置

Info

Publication number: JPH06244143A
Application number: JP4854193A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Ueda; 庸一上田; Mitsuaki Komino; 光明小美野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】温度調整用ヒータに熱衝撃等に強い窒化アル
ミニウムを絶縁体として用いた処理装置を提供する。【構成】処理容器４内に、チャック部２２と冷却手段
１６を有する載置台８を収容してなる処理装置におい
て、チャック部と冷却手段１６との間に伝達する冷熱を
調整する温度調整用ヒータ５２を設け、このヒータの絶
縁体５６として熱衝撃に強い窒化アルミニウムを用い、
この絶縁体を破壊することなくチャック部に吸着する被
処理体Ｗの急激な温度変化を可能ならしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エッチング装置やスパ
ッタリング装置のような処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製造工程においては、被
処理体である例えば半導体ウエハは各種の処理装置にお
いてスパッタリング処理やエッチング処理等が繰り返し
て施される。この場合、ウエハを処理容器内に確実に保
持する必要があり、ウエハをクランプ等で固定する従来
のメカニカルチャック方式は、ウエハの周囲或いは表面
を押さえなければならない為、必ずクロスコンタミネー
ションやパーティクル発生の原因になることは明らかで
ある。これらの理由から、メカニカルチャックと比較し
て発生するパーティクルが遥かに少ない静電チャックが
主に用いられている。この静電チャックの吸着原理は、
ウエハに対して絶縁層を介して対向配置される電極に直
流高電圧を印加してウエハの電極対向面に電極の電荷と
逆の電荷を生ぜしめ、これらの間に作用するクーロン力
によってウエハを、静電チャックが取り付けられたサセ
プタ側へ吸着保持するようになっている。

【０００３】そして、サセプタの下面には、例えばプラ
ズマ等により加熱されるウエハの温度を所定の処理温度
まで冷却して制御するための冷媒等を流通させる冷媒通
路を備えた冷却ブロックが設けられており、これからの
冷熱をウエハに供給するようになっている。そして、通
常ウエハの処理は真空等の減圧下にて行われることか
ら、ウエハと静電チャックとの境界面或いはサセプタと
冷却ブロックとの境界面等において伝熱の機能を果す気
体が非常に少なくなって伝熱効率が非常に低下すること
から、これを補うためにこれらの境界面に伝熱促進ガス
を供給して、ウエハ温度を効果的に制御する試みがなさ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のウエハの冷却構造にあっては、一般的に冷媒として
フロリナートやパーフロロカーボン等のフロン系のガス
を使用し、この冷媒自体の温度を調整することによりウ
エハの温度を制御するようになっている。しかしなが
ら、一般的には冷媒通路とウエハとの間の距離がかなり
長いので温度調節された冷媒の温度がウエハ温度に影響
を与えるまでにかなりの時間を要して熱応答性が悪かっ
た。このために、ウエハ温度を迅速に制御できないとい
う改善点があった。特に、ウエハと冷却ブロックとの間
には部材の接合面、すなわち部材界面が複数箇所存在す
るので、更に、熱応答性を劣化させるという問題点があ
った。

【０００５】また、最近、ウエハを例えば液体窒素を用
いて−１５０℃程度の超低温にしておき、この状態で減
圧状態にてエッチング処理を施す、いわゆる低温エッチ
ング処理法が開発されるに至っており、この低温エッチ
ング処理によれば、例えばポシリコンやシリコン酸化膜
のエッチングを行う場合には、下地との間の選択比を従
来方法と比較して大きくすることができ、しかも異方性
も十分に確保することができる。しかしながら、この低
温エッチング処理を上記した構造において採用しても前
述した如き問題点が発生していた。そこで、本発明者等
は先の出願（特願平４−２２０６２３号）において、サ
セプタと冷却手段との間に、温度調整用ヒータを設けた
装置を提案した。

【０００６】そして、このヒータの発熱量を制御して冷
却手段からウエハに供給される冷熱を調整することによ
りウエハ温度を制御し、これにより熱応答性等を改善し
たり、種々の異なる温度においてウエハを処理すること
が可能となった。そして、この提案した装置にあって
は、ヒータの絶縁材料として例えばＡｌ₂Ｏ₃ 、ＳｉＣ
等を使用しているが、Ａｌ₂ Ｏ₃ は熱衝撃に対して比較
的弱いことからウエハの処理温度を例えば−１５０℃か
ら＋５０℃に急激に変化させるような場合には熱衝撃に
よって材料破壊を生じたり、或いは高ワット密度を出せ
ないのみならず、熱伝導性が劣ることからウエハ温度の
面内均一性を十分に確保できないという改善点があっ
た。

【０００７】また、ＳｉＣはＡｌ₂ Ｏ₃ に比較して熱伝
導率、熱膨張率において良好な特性を有しているが、絶
縁耐圧が低く、誘電率が大きい欠点がある他、現状では
ホットプレス法によってしか製造できない為非常に高価
であり、コストの上昇を余儀なくされるという問題を有
している。本発明は、以上のような問題点に着目し、こ
れを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の
目的は、温度調整用ヒータに熱衝撃等に強い窒化アルミ
ニウムを絶縁体として用いた処理装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、処理容器内に、上部に被処理体を吸着
保持するチャック部を有すると共に下部に前記被処理体
を冷却する冷却手段を有する載置台を収容してなる処理
装置において、前記チャック部と前記冷却手段との間
に、前記被処理体へ供給される冷熱を調整するために窒
化アルミニウムを絶縁体として用いた温度調整用ヒータ
を設けるようにしたものである。

【０００９】

【作用】本発明は、以上のように構成されたので、被処
理体はチャック部により吸着保持されており、冷却手段
からの冷熱は被処理体に伝達する際に温度調整用ヒータ
からの温熱により制御されて被処理体に伝わることにな
る。従って、このヒータの発熱量を制御することにより
被処理体の温度を迅速に制御でき、熱応答性を向上させ
ることが可能となる。この場合、被処理体の処理温度を
変えるべく短時間にヒータ発熱量を大幅に変化させて熱
衝撃が発生しても窒化アルミニウムをヒータの絶縁体と
して用いているのでこれが破壊することがなく、また、
被処理体の面内均一性も確保することが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明に係る処理装置の一実施例を
添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係る処理
装置の一実施例を示す断面図、図２は図１に示す処理装
置の載置台を示す概略分解図、図３は本発明装置に用い
る温度調整用ヒータを示す平面図、図４は図３に示すヒ
ータの断面図である。

【００１１】本実施例においては、処理装置としてプラ
ズマエッチング装置を例にとって説明する。図示するよ
うにこのエッチング装置２は、導電性材料、例えばアル
ミニウム等により円筒或いは矩形状に成形された処理容
器４を有しており、この容器４内の底部にはセラミック
等の絶縁板６を介して被処理体、例えば半導体ウエハＷ
を載置するための略円柱状の載置台８が収容されてい
る。この載置台８は、アルミニウム等により円柱状に成
形されたサセプタ支持台１０と、この上にボルト１２に
より着脱自在に設けられたアルミニウム等よりなるサセ
プタ１４とにより主に構成されている。

【００１２】上記サセプタ支持台１０には、冷却手段、
例えば冷却ジャケット１６が設けられており、このジャ
ケット１６には例えば液体窒素等の冷媒が冷媒導入管１
８を介して導入されてジャケット内を循環し、冷媒排出
管２０より容器外へ排出される。上記サセプタ１４は、
中央部が突状になされた円板状に成形され、その中央の
ウエハ載置部にはチャック部として、例えば静電チャッ
ク２２がウエハ面積と略同じ面積で形成されている。こ
の静電チャック２２は、例えば２枚の高分子ポリイミド
フィルム間に銅箔等の導電膜２４を絶縁状態で挟み込む
ことにより形成され、この導電膜２４は電圧供給リード
２６により途中高周波をカットするフィルタ２７を介し
て直流高電圧源２８に接続されている。従って、この導
電膜２４に高電圧を印加することにより、チャック２２
の上面にウエハＷをクーロン力により吸引保持し得るよ
うに構成される。そして、サセプタ支持台１０及びサセ
プタ１４には、Ｈｅ等の伝熱促進ガスをウエハＷの裏面
に供給するためのガス通路３０が形成されている。尚、
上記静電チャック２２にも伝熱促進ガスを通過させる多
数の通気孔（図示せず）が形成される。

【００１３】また、サセプタ１４の上端周縁部には、ウ
エハＷを囲むように環状のフォーカスリング３２が配置
されている。このフォーカスリング３２は反応性イオン
を引き寄せない絶縁性の材質からなり、反応性イオンを
内側の半導体ウエハＷにだけ効果的に入射せしめる。そ
して、このサセプタ１４には、中空に成形された導体よ
りなるパイプリード３４がサセプタ支持台１０を貫通し
て設けられており、このパイプリード３４には配線３６
を介して例えば１３．５６ＭＨｚのプラズマ発生用の高
周波電源３８に接続されている。従って、上記サセプタ
１４は下部電極として構成されることになる。そして、
この配線３６には、ノイズカット用のフィルタ４０及び
マッチング用のコンデンサ４２が順次介設される。

【００１４】上記サセプタ１４の上方には、これより約
１５〜２０ｍｍ程度離間させて、接地された上部電極４
４が配設されており、この上部電極４４にはガス供給管
４６を介してプロセスガス、例えばＣＦ₄ 等のエッチン
グガスが供給され、上部電極４４の電極表面に形成され
た多数の小孔４８よりエッチングガスを下方の処理空間
に吹き出すように構成されている。また、処理容器４の
下部側壁には、排気管５０が接続されており、処理容器
４内の雰囲気を図示しない排気ポンプにより排出し得る
ように構成される。

【００１５】そして、上記静電チャック２２と冷却手段
１６との間には、本発明の特長とする温度調整用ヒータ
５２が設けられる。具体的には、このヒータ５２は厚さ
数ｍｍ程度の板状に成形されており、図３及び図４に示
すように内部には、例えばタングステン、カーボン或い
はＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金（例えばリバーライト（商品
名）やフェクラロイ（商品名）で耐酸化性を持たせるこ
とから希土類元素、特にＬａやＹを微量添加している）
よりなる線状或いは帯状の抵抗発熱体５４が全体に渡っ
て例えば蛇行状或いは一筆書き状に配設されている。そ
して、この抵抗発熱体５４の全体は、焼結したＡｌＮ
（窒化アルミニウム）よりなる絶縁体５６により被われ
ており、このヒータ５２を取り付けた時に内部の発熱体
５４を外部の基台側から電気的に絶縁し得るように構成
される。絶縁体５６を構成するＡｌＮは、例えば従来使
用されていたＡｌ₂Ｏ₃ 等のセラミックスに比較して熱
伝導率に関しては約１０倍程高く、しかも熱衝撃性に対
しても耐久性が高く急激な温度変化に対して破壊しにく
い。例えば熱膨張率に関してはＡｌ₂ Ｏ₃ は７．３×１
０^-6／℃であるのに対してＡｌＮは４．５×１０^-6／℃
と低く、引張強度に関してはＡｌ₂ Ｏ₃ は２４〜２６ｋ
ｇｆ／ｍｍ² であるのに対してＡｌＮは４０〜５０ｋｇ
ｆ／ｍｍ² と高く、強度上優れている。また、ＡｌＮは
電気絶縁体であるので、熱はフォノンを介して伝わる。
熱伝導機構から（図５に示すように）熱伝導率は常温以
下でピークを示す。この為、１００Ｋ（−１７３℃）程
度では常温の値より大きくなる。また、ＡｌＮは、図５
から明らかなように低温領域で熱伝導率は上昇し、しか
も熱容量（比熱）は低下するのでこれらの相乗効果によ
りヒータの電気絶縁体として、また均熱板としては非常
に良好な特性を発揮する。

【００１６】上記発熱体５４は、上述のようにヒータの
各部分の発熱量を均一化するように全体に渡って略均等
に配設されており、例えば中心部に装着孔５８等が形成
されている場合にはこの部分における放熱量を補償する
ためにこの装着孔５８の周縁部に発熱体をリング状に配
設したりする。そして、この発熱体５４の両端には、電
力供給リード６０が接続されている。このように構成さ
れたヒータ５２は、図２にも示すようにサセプタ支持台
１０の上面に設けられるヒータ固定台６２の上部に形成
されたヒータ収容溝６４内にその上面を同一レベルにし
て完全に収容される。ヒータ固定台６２は、熱伝導性の
良好な材料例えばアルミニウムにより構成される。この
ヒータ５２の大きさは、好ましくはウエハ面積と略同一
面積かそれ以上になるように設定されるのが良く、この
下方に位置する冷却ジャケット１６からの冷熱がウエハ
Ｗに伝達するのを制御してウエハＷの温度調整を行い得
るように構成される。

【００１７】この温度調整用ヒータ５２やヒータ固定台
６２にはプッシャピン等の貫通する貫通孔（図示せず）
等が形成されている。このヒータ固定台６２の周縁部に
は、ボルト孔６４が適当数形成されており、この固定台
６２をボルト６６によりサセプタ支持台１０側へ着脱可
能に取り付けている。また、サセプタ１４の下面には上
記ヒータ固定台６２全体を収容するための収容凹部６８
が形成されると共に、このヒータ固定台６２には、ヒー
タ５２の上面とサセプタ１４の収容凹部６８の下面との
境界部にＨｅ等の熱伝達媒体を供給するために、前記ガ
ス通路３０に接続された分岐路７０（図１参照）が形成
される。そして、上記ヒータ５２の電力供給リード６０
にはフィルタ７２を介して電力源７４が接続されて、所
定の電力をヒータ５２に供給し得るように構成される。

【００１８】また、前記静電チャック２２には、ウエハ
温度を検出するために温度に依存して光の往復時間が変
化することを利用した温度計、例えばフロロプチックサ
ーモメトリ（ＦｌｕｏｒｏｐｔｉｃＴｈｅｒｍｏｍｅ
ｔｒｙ）（商品名）や熱電対等よりなる温度検出器７６
が設けられている。そして、この温度検出器７６には、
検出値を伝達する温度検出リード７８が接続される。こ
の温度検出リード７８は、温度検出器７６としてフロロ
プチックサーモメトリ（ＦｌｕｏｒｏｐｔｉｃＴｈｅｒ
ｍｏｍｅｔｒｙ）（商品名）を用いた場合には光ファイ
バにより構成されるが、熱電対を用いた場合には通常の
導体が使用され、この場合には高周波ノイズを除去する
フィルタ８０を途中に介設して、この装置全体を制御す
る、例えばコンピュータ等よりなる制御部８２へ入力さ
れる。この制御部８２は、上述のように所定のプログラ
ムにより装置全体を制御するものであり、例えば前記高
周波電源３８、ヒータ５２への電力源７４、静電チャッ
ク２２への直流高電圧源２８の給配を制御する。また、
上記パイプリード３４の処理容器底部の貫通部には絶縁
体８４が介設されて、容器側との電気的絶縁を図ってい
る。

【００１９】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について述べる。まず、図示しないロードロック室
より所定の圧力、例えば、１×１０^-4〜数Ｔｏｒｒ程度
に減圧された処理容器４のサセプタ１４の上部にウエハ
Ｗを載置し、これを静電チャック２２によりクーロン力
によりサセプタ１４側へ吸着保持する。そして、上部電
極４４と下部電極（サセプタ）１４との間にパイプリー
ド３４を介して高周波を印加することによりプラズマを
発生せしめ、これと同時に上部電極４４側からプロセス
ガスを処理空間に流し、エッチング処理を行う。また、
低温エッチングを行うためにサセプタ支持台１０の冷却
ジャケット１６に冷媒、例えば液体窒素を流通させてこ
の部分を−１９６℃に維持し、これからの冷熱をこの上
部のサセプタ１４を介してウエハＷに供給し、これを冷
却するようになっている。

【００２０】この場合、冷却ジャケット１６とウエハＷ
との間に温度調整用ヒータ５２を設けて、この部分の発
熱量を調整することによりウエハＷを冷却する温度を調
整し、ウエハＷを所定の温度、例えば−１５０℃〜−１
８０℃程度に維持する。従来装置にあっては、冷却媒体
自体の温度を制御することによってウエハ温度を制御し
ており、しかも冷却ジャケットとウエハとの間の距離が
長く、界面も多いので熱応答性が非常に悪かった。これ
に対して、本実施例においては、上述のように冷却ジャ
ケット１６は一定の低温、例えば−１９６℃に固定さ
れ、これに対してヒータ５２はウエハＷに例えば１５〜
２０ｍｍまでの距離に接近させて設けられているので、
このヒータ５２の発熱量の変化は迅速にウエハＷの温度
変化となって表れ、従って熱応答性が良く、迅速にウエ
ハ温度を制御することが可能となる。従って、ヒータ５
２をオフしたときの液体窒素だけによるウエハ冷却温
度、例えば−１６０℃（液体窒素（−１９６℃）との間
の温度差３６℃はサセプタ等の熱抵抗に基づき発生する
温度差）を最低温度値としてそれ以上、常温までの温度
範囲内で迅速に且つ直線的にウエハ温度を制御すること
が可能となる。

【００２１】また、ヒータ５２とサセプタ１４との界面
部及びウエハＷの下面には、ガス通路３０を介してＨｅ
等の伝熱促進ガスが導入されているので上下間の熱伝達
効率が劣化することもなく、上記した熱応答性を一層向
上させることができる。また、ウエハの処理温度を例え
ば−１５０℃から−５０℃に変える場合には、制御部８
２の制御によりヒータ５２の抵抗発熱体５４に流す電流
を急激に増加させてヒータ温度を一気に、例えば２〜３
分間で増加し、冷却ジャケット１６からウエハＷに供給
される冷熱を制御してウエハを所望の温度、例えば−５
０℃に維持する。この場合、急激な温度変化に伴ってヒ
ータ５２の絶縁体５６には大きな熱衝撃が加わるが、特
に、本実施例においては絶縁体５６として耐熱衝撃性が
高いＡｌＮを用いているので急激な温度変化に対しても
亀裂や破壊が発生することを抑制することが可能とな
る。

【００２２】このようにウエハ処理温度を変える場合に
は、急激な昇温や降温を行う場合があるが、これに伴っ
て材料内部に大きな熱応力が発生しても絶縁体材料の破
壊を防止することができる。更には、このＡｌＮは熱伝
導性が従来の、例えばセラミックスヒータ等よりも遥か
に高いのでヒータの平面方向に熱が良く伝わり、従って
ウエハ温度の面内均一性を高めることが可能となる。ま
た、このＡｌＮ材料は、従来使用されていたＳｉＣ材料
よりも安価なので材料費のコストアップを招来すること
もない。

【００２３】また、プラズマによってダメージを受ける
消耗品であるサセプタを交換する場合にはこのサセプタ
１４とサセプタ支持台１０とを接続するボルト１２を緩
めることによりサセプタ１４を容易に取り外すことがで
きる。更に、過電流によるヒータ５２の破損、寿命によ
るヒータの劣化等が生じた場合には、ヒータ交換等のメ
ンテナンス作業を行うが、この場合には上述のようにサ
セプタ１４を取り外した状態で更にボルト６６を取り外
すことによりヒータ５２をヒータ固定台６２ごとサセプ
タ支持台１０から取り外すことができ、ヒータ５２の交
換作業を容易に行うことができる。

【００２４】上記実施例にあっては、ヒータ５２の抵抗
発熱体５４を蛇行形状に似た形状としたが、これに限定
されず、例えば渦巻状に形成するようにしてもよい。ま
た、上記実施例においては、冷却媒体として液体窒素を
用いた場合を説明したが、これに限定されず、例えば冷
却媒体として液体ヘリウム等を用いてもよい。尚、上記
実施例においては、載置台をプラズマエッチング装置に
用いた場合について説明したが、これに限定されず、ウ
エハを処理するためにこれを保持する必要のある装置な
らばどのような装置、例えばＣＶＤ装置、アッシング装
置、スパッタ装置等にも適用し得るのは勿論である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のように優れた作用効果を発揮することができる。温
度調整用ヒータの絶縁体に熱衝撃性及び熱伝導性に優れ
た窒化アルミニウムを用いるようにしたので、急激な昇
温や降温に伴って材料内部に大きな熱応力が生じても、
この絶縁体に亀裂や破壊が発生することを大幅に抑制す
ることができ、しかも高ワット密度を発揮できる。従っ
て、ウエハの急激な温度変化を可能とし得るので、全体
の処理速度を促進させることができる。また、窒化アル
ミニウムは熱伝導性が良好であることから、ヒータ面内
における熱の移動が迅速に行われ、従って、被処理体の
温度の面内均一性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る処理装置の一実施例を示す断面図
である。

【図２】図１に示す処理装置の載置台を示す概略分解図
である。

【図３】本発明の装置に用いる温度調整用ヒータを示す
平面図である。

【図４】図３に示すヒータの断面図である。

【図５】ＡｌＮの温度に対する熱伝導率と熱容量（比
熱）の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

４処理容器８載置台１０サセプタ支持台１４サセプタ（下部電極）１６冷却ジャケット（冷却手段）２２静電チャック（チャック部）２６電圧供給リード２８直流高圧電源３４パイプリード３８高周波電源４４上部電極５２温度調整用ヒータ５４抵抗発熱体５６絶縁体６０電力供給リードＷ被処理体（半導体ウエハ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器内に、上部に被処理体を吸着保
持するチャック部を有すると共に下部に前記被処理体を
冷却する冷却手段を有する載置台を収容してなる処理装
置において、前記チャック部と前記冷却手段との間に、
前記被処理体へ供給される冷熱を調整するために窒化ア
ルミニウムを絶縁体として用いた温度調整用ヒータを設
けたことを特徴とする処理装置。