JPH1050811A - 半導体基板の温度調節機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板を急速昇降温できる温度調節機構
に係わる 【解決方法】 冷却機構の上面に加熱機構が、加熱機構
の上面に静電吸着機構が一体的に結合された構造からな
り、該静電吸着機構の上面に半導体基板を静電吸着、固
定して該吸着界面の熱伝達によって半導体基板温度を昇
降温させて該基板温度を調節することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の温度調節
機構に係わり、さらに詳しくは、半導体基板を急速制
御、精密制御できる温度調節機構に係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体のプラズマ加工は集積度が高くな
るほど、より極細化し、より厳しい精度が要求される。
プラズマ加工の極細化、高精度化を達成する上でプラズ
マ処理温度は極めて重要なファクターになるが、現状設
備では、処理するシリコンウエハーの過昇温防止のため
に冷却（エッチング処理の場合）するだけで精密な温度
管理はなされていない。成膜処理（ＣＶＤ）では、設定
温度に加熱するためにただ加熱（ＣＶＤ）するだけで、
処理中の自然昇温は放任されているのが実情である。現
実は以上のような状況であるが、これは温度管理の重要
さが認識されていないためではなくて、現実、経済的な
スピードで温度管理できる機構が存在しないためであ
る。実験室的に生産性を無視すれば、精密な温度管理は
可能であるが、現状の生産ラインの中で、例えば処理す
る薄膜の材質に応じて、膜ごとに、生産性を落とすこと
なく素早くその膜質に最適な温度に変えて処理するクイ
ック制御、精密制御できる機構が存在しないためであ
る。この問題を解決するには現実の処理スピードに対応
して迅速に温度を調節できる機構が必要となる。つまり
処理スピードを落とすことなく迅速かつ連続的に温度調
節できる機構が必要となる。一方プラズマ処理以外で
も、装置の稼働率を上げるために、設定した温度に素早
く加熱したり、あるいは加熱後、素早く冷やしたりする
要求も多い。ここでも迅速かつ連続的に温度調節できる
機構が求められている。

【０００３】

【発明が解決する課題】本発明は、かかる状況に鑑みて
なされたもので、その目的とするところは、半導体基板
の温度を速やかに昇降温させて速やかに設定温度に調節
できる新しい温度調節機構を提供せんとするものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題は次の手段によ
って解決される。すなわち、 １．半導体基板を静電吸着して固定する静電吸着機構の
底面に加熱機構を結合し、該加熱機構の底面に冷却機構
を結合した構造からなり、該吸着した半導体基板を該加
熱機構と該冷却機構によって間接的に加熱、冷却して該
基板温度を調節することを特徴とする半導体基板の温度
調節機構。 ２．半導体基板を静電吸着して固定する静電吸着機構の
底面に加熱機構と冷却機構を内蔵した良熱伝導体が一体
的に結合された構造からなり、該吸着した半導体基板を
該加熱機構と該冷却機構によって間接的に加熱、冷却し
て該基板温度を調節することを特徴とする半導体基板の
温度調節機構。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の温度調節機構は、まず、
静電吸着機構に半導体基板を静電吸着、固定、この
静電吸着機構の吸着面を加熱、冷却、吸着面からの熱
伝達、あるいは吸着面への熱伝達によって基板を加熱、
冷却して所定温度に調節することを特徴とする。そして
この際、 静電吸着機構、加熱機構、冷却機構は一体的に結合さ
せて速やかな熱の伝達を計り、 加熱機構、冷却機構の配置は、冷却機構−加熱機構−
静電吸着機構の順、および冷却機構と加熱機構を並設し
た状態で静電吸着機構と結合させる各機構の組合せの順
序が必須条件となる。順序が逆、つまり加熱機構−冷却
機構−静電吸着機構の場合、加熱機構と静電吸着機構の
間に冷却機構が入り、冷却機構の冷媒循環路の空隙部分
が断熱層になり、加熱機構から静電吸着機構への熱移動
を阻害するために、基板加熱時、昇温速度が遅くなる問
題がある。つまり、現実の処理に際しては、低温→高
温、高温→低温に温度変化している時間は完全にロスタ
イムであるので、このロスタイムがおおきくなることは
生産性の低下を招く。順序が逆になることによって加熱
時のロスタイムが大きくなり、生産性の著しい低下を招
く。

【０００６】ここで、静電吸着機構、加熱機構、冷却機
構の「一体的結合」なる表現は以下のようなことを意味
するものである。 冶金的な接合による結合 膜の積層による結合 静電吸着機構の誘電体セラミックを、溶射、ＰＶＤ，Ｃ
ＶＤ，スパッタリング等の成膜処理によって基材（加熱
機構の基材）の上に膜形成させることによって基材（加
熱機構の基材）と密に結合させる場合。 焼結、あるいは焼成による結合 金属−金属は冶金的な接合の範疇にいるが、金属−セラ
ミック、セラミック−セラミックの組合わせで冶金的接
合の範疇に入らないものの焼結、あるいは焼成による結
合。

【０００７】［静電吸着機構部］本発明の静電吸着機構
部とは、いわゆる静電チャックの静電吸着機構部を意味
する。静電吸着機構部は誘電体セラミックと、このセラ
ミック背面に形成された静電誘導電極を含んだ構造を主
要部とする構造体の総称である。すなわち、単極方式の
静電チャックにあっては、誘電体セラミックと、このセ
ラミック背面に形成された静電誘導電極を併せた構造体
を主要部とし、双極方式にあっては誘電体セラミック
と、このセラミック背面に形成された静電誘導電極電
極、およびこの電極の背面を裏打ちするセラミック絶縁
板からなる構造体を主要部とする構造体が吸着機構部と
なる。

【０００８】誘電体セラミックは，誘電体セラミックの
焼結体を、あるいは誘電体セラミックの膜、つまり溶射
によって誘電体セラミックの被膜を形成したもの、ある
いはスパッタリング、ＣＶＤ等の薄膜処理によって形成
したもの、あるいはその他の成膜処理によって形成され
たもの、いずれでも選択できる。ここで誘電体セラミッ
クとは誘電率が特に高いセラミックのみに限定されるも
のではない。通常の電気絶縁セラミックでも厚さを薄く
すると吸着力は大きくなる現象に鑑み、本発明では誘電
率の高くない通常の電気絶縁体セラミック全般もこの
「誘電体セラミック」の範疇に含まれる。チタン酸アル
ミナ、チタン酸バリウム等の高誘電率セラミックから、
窒化ケイ素、窒化アルミ、アルミナ、サファイア、炭化
ケイ素、成膜形成されたダイヤモンド、ＣＢＮ等、絶縁
体セラミックがこの範疇にいる。

【０００９】静電吸着機構部背面には加熱機構（第１項
発明）、良熱伝導体（第２項発明）が結合されるが、こ
の加熱機構の面、良熱伝導体の面を金属にして、この金
属面を電極として使用してもよい。つまり静電吸着機構
部背面に結合される加熱機構、良熱伝導体の面を電極と
して代用してもよいということである。また、逆に電極
金属を加熱機構の片面、良熱伝導体の片面、冷却機構の
片面として代用してもよい。また、加熱機構の片面、良
熱伝導体の片面を絶縁体にして、静電吸着機構部背面の
絶縁体（双極の場合）として代用してもよい。

【００１０】また、吸着機構部背面に加熱機構（第１項
発明）、良熱伝導体（第２項発明）を結合するに当た
り、結合面に応力緩衝の目的、あるいは電気絶縁等の目
的で異種材料の層をインサートする場合もある。本発明
の「静電吸着機構部」はこれらインサートされる層の部
分まで含めて総称するものである。

【００１１】［加熱機構］加熱手段は、電熱ヒーターに
よる加熱、熱媒循環による加熱、いずれの手段を採用し
てもよい。熱媒には液体、気体いずれの熱媒でも採用で
きる。電熱ヒーターの材料、構造には特別な制限はな
く、通電発熱するものであれば、金属、無機、材質を問
わず、いかなる材料、構造のものでも使用できる。電熱
回路の形成は、ヒーター線を使って形成、電熱材料
の粉末を電熱回路模様に焼付、あるいは固着させて形
成、電熱材料の膜を電熱回路模様状に被覆して形成、
あるいは電熱金属の箔で回路模様を形成し、これを基
材に固着して使用、あるいはその他の通常使用される回
路形成手段を目的に応じて適宜選択すればよい。

【００１２】ヒーター線は、裸素線のまま、あるいは必
要に応じて素線表面を絶縁して使用する。裸素線の場合
は、良熱伝導体の基材に電熱回路模様の溝を形成し、こ
の中に素線を埋入して固定するようにすればよい。この
とき基材材質は少なくとも溝表面が絶縁体であればよ
い。基材全体を金属で形成し、溝表面だけを絶縁体にし
てもよい。また必要に応じて溝の中に耐火物を充填して
素線を固定してもよい。素線表面を絶縁した場合、絶縁
層を介して良熱伝導体の基材にロー付してもよい。ある
いは絶縁層の表面にさらに金属の皮を嵌し、この皮を基
材にロー付してもよい。また、もちろん、裸素線の場合
と同じように基材に電熱回路模様の溝を形成し、この中
に埋入してもよい。あるいは表面を絶縁したヒーター線
を金属で鋳包んだ構造でもよい。この場合、鋳包み金属
が基材となる。

【００１３】電熱材料の粉末焼付、あるいは固着は、良
熱伝導性、絶縁性基材に電熱材料の粉末ペーストを焼付
けて、あるいは固着させて形成する。

【００１４】電熱材料の膜形成は、高融点金属、貴金
属、あるいはその他の電熱金属を溶射、スパッタリン
グ、ＣＶＤ，ＰＶＤ等の手段で良熱伝導性、絶縁性基材
の上に形成する。また、焼成前のいわゆる生の状態のセ
ラミック基板（グリーン・シート）にＷ，Ｍｏ等の高融
点金属を印刷しておき、セラミックと同時に焼成したい
わゆる一体焼結型の膜も有効である。いずれにしても本
加熱機構において、電熱回路は上下面を絶縁される必要
があり、しかも温度を急速制御するためには、絶縁体の
熱容量と電熱回路の熱容量は共に限りなくを小さくす
る、つまり薄くする必要がある。上記したセラミックの
グリーン・シートにＷ，Ｍｏ等の高融点金属を印刷して
一体焼結したセラミックヒーターは極めて薄くできる利
点があるので本発明の目的には最も適している。

【００１５】良熱伝導性の基材とは、熱伝導性のよいセ
ラミックあるいは金属を意味する。セラミックは窒化ア
ルミニウム系、炭化ケイ素系、アルミナ系セラミック等
が、金属には鉄系、ニッケル系、コバルト系、銅系、ア
ルミニウム系、銀系、モリブデン、タングステン、ある
いはこれらの合金、複合材料（金属−金属、金属−セラ
ミック），あるいはその他の良熱伝導材料が使用でき
る。また、良熱伝導性基材の、吸着機構部の背面に対向
する部分は、吸着機構部の背面材料をそのまま代用させ
てもよい。

【００１６】［冷却機構］液体、気体冷媒による冷却を
使用してもよい。冷媒による冷却では、基材に冷媒循環
路を設け、この中に液体、気体冷媒を循環させて冷却す
る。循環路は、基材に溝加工して、あるいは基材に管路
の埋め込み、接合、あるいは管路を内蔵する構造を鋳造
金属、あるいは溶接で形成、あるいは管路を内蔵する構
造をセラミック焼結体で形成等々種々の方法で形成す
る。循環路を形成する基材の材料は、良熱伝導性の金
属、セラミックあるいは金属セラミックの複合材料等、
いずれを採用してもよい。とくに金属／セラミック複合
材料はその割合を変えることによって線膨脹係数を自在
に調節できるので、接合部の残留応力軽減の点で有利で
ある。

【００１７】［加熱機構、冷却機構の並設］加熱機構と
冷却機構は、上記した上下に重ねる構造のほかに、並設
して配置する構造でもよい。つまり電熱回路と冷媒の循
環路を並べて配置する構造でもよい。

【００１８】図面によって実施の形態を説明する。本発
明の温度調節機構は基本的には２つの構造に大別でき
る。一つは、冷却機構−加熱機構−静電吸着機構の順に
結合一体化された構造（図１，３）、もう一つは、冷却
機構部と加熱機構部が、並設されて静電吸着機構に結合
一体化された構造（図２，４）である。さらにこれらは
静電吸着機構部の構造でさらに二つに分類される。一つ
は静電吸着機構部の誘電体がセラミック焼結体で形成さ
れた構造、さらに一つは誘電体が成膜手法、例えば溶
射、ＣＶＤ，ＰＶＤ，スパッタリング、その他の成膜手
法で形成された場合である。図１〜４はこれらの状況を
説明した図である。図１の構造は，冷却機構−加熱機構
−静電吸着機構の順に結合一体化された構造で、誘電体
がセラミック焼結体で形成された構造。図２は冷却機構
部と加熱機構部が、並設されて静電吸着機構に結合一体
化された構造で、誘電体がセラミック焼結体で形成され
た構造。図３は、冷却機構−加熱機構−静電吸着機構の
順に結合一体化された構造で誘電体が成膜手法で形成さ
れた構造。図４は、冷却機構部と加熱機構部が、並設さ
れて静電吸着機構に結合一体化された構造で、誘電体が
成膜手法で形成された構造である。図１，３にあっては
冷却機構、加熱機構、静電吸着機構は共に結合一体化さ
れている。図２にあっては冷却機構と加熱機構が良熱伝
導体に一体的に内蔵されて静電吸着機構に結合一体化さ
れている。図４にあっては、冷却機構と加熱機構が良熱
伝導体に一体的に内蔵された構造体に誘電体セラミック
の膜が成膜された構造である。

【００１９】加熱機構部の電熱体は主に次の様なものを
使用できる。ヒーター素線、電熱材料の粉末を焼
付、あるいは固着させたもの、電熱材料の膜を被覆し
たもの、電熱金属の箔、セラミックと一体焼結型ヒ
ーター。これらの電熱体を使用した加熱機構部の代表的
な構造は、図５〜１４に示す構造である。図５〜８はヒ
ーター線を使用した構造の例。図５は表面が絶縁された
ヒーター線が鋳造金属に鋳包た構造のもので、Ａ面が静
電吸着機構部に接合、Ｂ面が冷却機構部に接合されるこ
とになる。図６は、基材Ｂに形成した溝の中にヒーター
線が埋め込まれて基材Ａの蓋をされた構造である。ヒー
ター線の表面が絶縁されておれば、基材Ａ，Ｂは金属で
もセラミックでも材質は問わない。ヒーター線が裸の場
合、基材Ａ，Ｂの少なくともヒーター線と接触する部分
は絶縁材にする必要がある。図７は基材Ａ，Ｂの間にヒ
ーター線を挟んでロー付けした構造である。基材Ａ，Ｂ
とヒーター線の隙間はろう材で埋められている。図８は
セラミック基材Ａに形成した溝の中に表面絶縁されたヒ
ーター素線を埋め込み隙間をろう材で充填したものであ
る。図９は電熱金属の箔をセラミック基材Ａ，Ｂの間に
挟み、無機接着剤で接着固定したものである。図１０は
セラミックの中にヒーター回路を一体的に焼結した構造
である。（イ）はセラミックとヒーター回路（タングス
テン系電熱回路）を一体的に焼結した構造。Ａ面に吸着
機構が、Ｂ面に冷却機構が接合されることとなる。
（ロ）はヒーター回路と静電チャックの電極を一緒に同
時焼結した構造である。図１１は表面が絶縁されたヒー
ター線と冷媒循環用管路が鋳造金属に一緒に鋳包れた構
造のものである。ヒーター線と冷媒循環用管路が横にな
らんで並設された構造。図１２は表面が絶縁されたヒー
ター線と冷媒循環用管路が鋳造金属に一緒に鋳包れた構
造のものである。ヒーター線（上）と冷媒循環用管路
（下）が上下にならんだ構造。

【００２０】図１３〜１４は、加熱機構と冷却機構が並
設されたものではないが、おなじ基材の中に内蔵された
例である。図１３は電熱ヒーターが溝の中に埋入され、
基材底部に冷媒の循環路を形成した例。図１４はヒータ
ーを鋳造金属で鋳包み、鋳造金属の底部に冷媒の循環路
を形成した例。

【００２１】次に実施例を示す。 実施例１ 構造：図１５の構造 誘電吸着機構部：双極の電極がセラミックの内部に一体
的に焼結されたアルミナ系の誘電体セラミック（φ５０
×２ｔ）を使用 加熱機構 ：タングステン発熱回路がセラミックと
同時焼成された構造のアルミナセラミックヒーター（図
１０の（イ）の構造） φ５０×２ｔ、出力：２００Ｗ 冷却機構 ：ニッケル製の冷却箱を使用。冷媒ガス
はフロンガスを使用。 冷却機構の構造 幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのニッケルの帯を渦巻き状
に巻回し、これを二枚のφ５０×１ｔのニッケルの円板
の間に挟み端面を二枚のニッケル円板と銀ロー付した。 ［各機構の接合］誘電吸着機構部、加熱機構、冷却機構
はインジウムによってロー付した。誘電吸着機構部、加
熱機構の接合面は無電解ニッケルメッキによってメタラ
イズして接合した。 ［テスト］静電吸着：双極電極に８００Ｖの電圧を印加
して誘電体セラミックの表面に２インチシリコンウエハ
ーを吸着させた。 加熱 常温（２０℃）から加熱開始。ヒーターに通電、ウエハ
ー表面は、４０秒で１００℃に加熱できた。 冷却 ヒーターを切った後、冷媒ガスを流した。ウエハー表面
は６０秒で２０℃に冷却できた。 保持 ヒーター加熱と冷媒ガス冷却併用してシリコンウエハー
表面温度を１００℃±１℃の範囲に保持できた。本発明
はシリコンウエハーを急速昇降温でき、かつ均一に保持
できることが確認できた。

【００２２】実施例２ 図１６の構造 渦巻状に巻回した５００Ｗの電熱ヒーター（シースヒー
ター）線と、同じく渦巻状に巻回した外系８ｍｍ，内径
７ｍｍのステンレスの冷却パイプを上下に重ね、溶融ア
ルミで鋳包んだ構造。誘電体セラミック（φ５０）はア
ルミ製の加熱、冷却機構（台座）の表面に、アルミナ・
チタニア系の誘電体セラミック粉末を０．３ｍｍ溶射し
て形成した。電極は単極でアルミの台座が兼ねる。 冷却機構 ： 冷媒にはフロンガス使用。 ［テスト］静電吸着：台座とシリコンウエハーの間に８
００Ｖの電圧を印加して誘電体セラミックの表面に２イ
ンチシリコンウエハーを吸着させた。 加熱 ０℃からスタートしてヒーターに通電。ウエハー表面は
１２秒で５０℃に到達させることができた。 保持 ヒーター加熱と冷媒ガス冷却併用してシリコンウエハー
表面温度を５０℃±１℃の範囲に保持できた。 冷却 ヒーターを切った後、冷媒ガスを流してウエハー表面を
３０秒で常温（２０℃）まで冷却できた。本発明はシリ
コンウエハーを急速昇降温でき、かつ均一温度に保持で
きることが確認できた。

【００２３】実施例３ 構造： 図１７の構造 加熱機構 ：タングステン系金属発熱回路がセラミ
ックと同時焼成された構造の窒化アルミヒーター（図１
０の（イ）の構造） φ５０×２ｔ，２００Ｗ 誘電吸着機構部：誘電体セラミックにはφ５０×０．２
ｍｍの窒化アルミニウム円板用い、これを窒化アルミヒ
ーターに銀ろう付（ベタ付）した。 銀ロー付面が電極を兼ねる単極方式。 冷却機構の構造：幅１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのタング
ステンの帯を渦巻き状に巻回し、これを二枚のφ５０×
１ｔのタングステンの円板の間に挟み端面を二枚のタン
グステン円板と銀ロー付した構造。冷却は空冷 ［各機構の接合］窒化アルミヒーターと冷却機構は銀ロ
ー付した。ロー付の際、窒化アルミヒーターとタングス
テンの冷却機構の間に応力緩衝を目的として５０％Ｗ−
５０％窒化アルミ（体積％）の複合焼結体の円板（φ５
０×１ｍｍ）を間に挟んで接合した。 ［テスト］静電吸着：電極とシリコンウエハーの間に７
００Ｖの電圧を印加して誘電体セラミックの表面に２イ
ンチシリコンウエハーを吸着させた。 加熱 常温（２０℃）から加熱開始。ヒーターに通電、ウエハ
ー表面は、２５秒で１００℃、２分で３００℃に到達さ
せることができた。 冷却 ヒーターを切った後、空気を流した。ウエハー表面は２
分で１００℃まで冷却できた。 保持 ヒーター加熱と空冷併用してシリコンウエハー表面温度
を３００℃±１℃の範囲に保持できた。本発明はシリコ
ンウエハーを急速昇降温でき、かつ均一温度に保持でき
ることが確認できた。

【００２４】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明は半導体基
板表面を極めて短い温度サイクルで昇降温できる機構で
あり、生産効率を落とすことなくプラズマ処理や成膜処
理品質の向上に多大の貢献を成すものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は温度調節機構の説明図である。

【図２】図２は温度調節機構の説明図である。

【図３】図３は温度調節機構の説明図である。

【図４】図４は温度調節機構の説明図である。

【図５】図５は加熱機構部の説明図。（ヒーター線使
用）

【図６】図６は加熱機構部の説明図。（ヒーター線使
用）

【図７】図７は加熱機構部の説明図。（ヒーター線使
用）

【図８】図８は加熱機構部の説明図。（ヒーター線使
用）

【図９】図９は加熱機構部の説明図。（電熱金属箔使
用）

【図１０】図１０は加熱機構部の説明図。（同時焼結ヒ
ーター）

【図１１】図１１は加熱機構部の説明図。（鋳包ヒータ
ー）

【図１２】図１２は加熱機構部の説明図。（鋳包ヒータ
ー）

【図１３】図１３は加熱、冷却機構の組合せ構造の説明
図。

【図１４】図１４は加熱、冷却機構の組合せ構造の説明
図。

【図１５】図１５は実施例の構造の説明図。

【図１６】図１６は実施例の構造の説明図。

【図１７】図１７は実施例の構造の説明図。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板を静電吸着して固定する静電吸
   着機構の底面に加熱機構を結合し、該加熱機構の底面に
   冷却機構を結合した構造からなり、該吸着した半導体基
   板を該加熱機構と該冷却機構によって間接的に加熱、冷
   却して該基板温度を調節することを特徴とする半導体基
   板の温度調節機構。
2. 【請求項２】半導体基板を静電吸着して固定する静電吸
   着機構の底面に加熱機構と冷却機構を内蔵した良熱伝導
   体が一体的に結合された構造からなり、該吸着した半導
   体基板を該加熱機構と該冷却機構によって間接的に加
   熱、冷却して該基板温度を調節することを特徴とする半
   導体基板の温度調節機構。