(57)【要約】【課題】２００〜５００℃の温度範囲で、高速かつ高精度に基板温度を制御可能な基板ホルダを提供する。【解決手段】ホルダ本体１Ａの基板保持側に静電チャック３を備え、基板１０を静電吸着する基板ホルダ１であって、静電チャック３に内蔵され、基板１０を加熱する加熱手段４と、ホルダ本体１Ａの内部に形成され、循環媒体１０１を循環供給する循環媒体供給手段２に接続された循環媒体流通経路１００と、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系１１０に接続された熱伝達能可変手段６と、静電チャック３と基板１０との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系１２０に接続されたガス封止手段８と、を備える。【選択図】図１
2010041041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダ本体の基板保持側に静電チャックを備え、基板を静電吸着する基板ホルダであって、
前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
を備えていることを特徴とする基板ホルダ。
【請求項２】
前記熱伝達能可変手段となる前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間が０．１５〜０．５ｍｍに設定されることを特徴とする請求項１に記載の基板ホルダ。
【請求項３】
前記熱伝達能可変手段は、前記伝熱ガスの封止圧力及びガスの有無により熱伝達率が可変であることを特徴とする請求項１または２に記載の基板ホルダ。
【請求項４】
前記熱伝達能可変手段に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系と、前記ガス封止手段に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系とは別系統に形成され、別個に封止圧力が制御可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項５】
前記熱伝達能可変手段となる前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間の周囲に断熱部材を配置したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項６】
前記断熱部材は、熱伝達率が２５Ｗ／ｍ2・Ｋ以下の材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の基板ホルダ。
【請求項７】
ホルダ本体の基板保持側に静電チャックを備え、基板を静電吸着する基板ホルダであって、
前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
を備えていることを特徴とする基板ホルダ。
【請求項８】
前記ホルダ本体と前記静電チャックとの間に、熱伝達部材を介設したことを特徴とする請求項７に記載の基板ホルダ。
【請求項９】
前記熱伝達部材は、１０〜２００Ｗ／ｍ2・Ｋの範囲内の熱伝達率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項８に記載の基板ホルダ。
【請求項１０】
前記熱伝達部材は、カーボンシートまたは窒化アルミニウムシートであることを特徴とする請求項９に記載の基板ホルダ。
【請求項１１】
前記基板と前記静電チャックとの間に、伝熱ガスが封止されることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項１２】
前記熱伝達能可変手段に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系と、前記基板と前記静電チャックとの間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系とは別系統に形成され、別個に封止圧力が制御可能であることを特徴とする請求項１１に記載の基板ホルダ。
【請求項１３】
前記熱伝達能可変手段の周囲を断熱部材で区画したことを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項１４】
前記断熱部材は、熱伝達率が２５Ｗ／ｍ2・Ｋ以下の材料で構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の基板ホルダ。
【請求項１５】
前記加熱手段は、温度制御可能なヒータであることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項１６】
前記循環媒体は、フッ素系媒体もしくはエチレングリコールを混合した冷却水、または純水であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項１７】
前記熱伝達能可変手段は、対向面に起立したフィンを有する第１の板状体と第２の板状体とを対向配置して区画形成され、第１の板状体のフィンと第２の板状体のフィンとが互い違いに隣り合って配置されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【請求項１８】
前記伝熱ガスは、ヘリウム、アルゴンまたは窒素であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の基板ホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置の真空容器内で基板を静電吸着により保持し、基板温度の制御が可能な基板ホルダに関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング装置やエッチング装置等のプラズマ処理装置の真空容器内には、基板（ウエハ）を保持する基板ホルダ（基板支持装置）が設けられており、一般に基板温度が制御されている。
【０００３】
例えば、加熱器または冷却器を内蔵したベース部材と、その上部に伝熱用シートを介してウエハを吸着保持する静電チャックと、を備えた基板支持装置が提案されている（特許文献１参照）。ベース部材には、伝熱用ガスを導入するガス導入路が設けられ、その上面部には、このガス導入路と連通されて伝熱用ガスを停滞させるガス停滞用溝が形成されている。ガス停滞用溝に伝熱用ガスが供給されると、ベース部材と静電チャックとの間の非接触部分に伝熱用ガスによる熱結合が発生する（特許文献１参照）。
【０００４】
また、ヒータ機能と静電チャック機能を有する基板ホルダを備え、弾性を有する熱伝導部材を介して、基板ホルダ上のウエハへの入熱を水冷ジャケットに伝達するウエハ処理処置が提案されている（特許文献２および３参照）。
【０００５】
さらに、基板ホルダに加熱機構および冷却機構を備えたエッチング装置が提案されている（特許文献４参照）。このエッチング装置では、エッチング開始前に基板温度がプロセス温度になるように予め基板ホルダを加熱し、エッチング開始時またはその後に動作を停止してプラズマによる加熱に切り替え、プラズマによる加熱と冷却との双方により熱平衡温度がプロセス温度になるよう制御している。
【０００６】
そして、静電吸着力発生可能な載置台の内側にヒータを内蔵し、載置台の裏面に下部冷却ジャケットと熱伝導性シート部材を押し付けた状態で、高周波電圧を給電可能なプラズマ処理装置が提案されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１１０８８３号公報
【特許文献２】特開２００４−０８８０６３号公報
【特許文献３】特開２００４−０８７８６９号公報
【特許文献４】特開平１０−３０３１８５号公報
【特許文献５】特開２０００−２９９２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１の技術では、ベース部材と静電チャック間と、静電チャックとウエハ間とが連通しており、供給源（供給系）を共通にする伝熱ガスが導入されている。したがって、伝熱ガスを独立に制御することができず、ウエハの温度は温度制御条件に基づいて一義的に決まる。例えば、２００〜５００℃の高温下でウエハ温度を制御する場合は、プラズマによる入熱エネルギーの変化や、ベース部材の加熱器または冷却器による加熱または排熱により、総括エネルギーの制御が困難でウエハの温度が安定しない。したがって、この温度範囲で使用する場合は、伝熱ガスを使用していない。
【０００９】
さらに、ベース部材と静電チャック間及び静電チャックとウエハ間のガス停滞用溝については、冷却ガスの圧力が１〜３０Ｔｏｒｒであることしか規定されていない。したがって、プロセス条件の変更によるプラズマ入熱エネルギーの変化に対して、伝熱ガスの圧力調整により熱伝達率を制御するのは困難であり、ウエハ温度の制御性に劣る。
【００１０】
特許文献２の技術では、設定温度に制御するため、基板ホルダと冷却ジャケット間の熱伝導部材として、０．３〜１Ｗ／Ｋの熱コンダクタンスを有する部材を用いている。例えば、冷却ジャケット温度が５０℃で、基板ホルダの温度が２００〜５００℃の場合において、３０７Ｗ〜１１６８Ｗの入熱量を制御可能であることが開示されている。この制御方法によれば、定常状態では上記入熱量を制御可能であるが、プラズマ等による入熱が過渡的に生じる環境では、熱伝達部材の熱コンダクタンスが０．３〜１Ｗ／Ｋと小さいため、基板が一時的に設定温度の２倍近くまで上昇してしまう。さらには、設定温度に定常的に制御するまでに１０秒以上の時間を要する。
【００１１】
また、この温度制御方法では、プロセス処理過程で基板温度が変動し、所望のプロセス性能が得られないという問題がある。この温度制御性能は、冷却ジャケットを介して基板ホルダへの入熱を排熱する能力である、基板ホルダと冷却ジャケットの熱コンダクタンスで規定される。したがって、熱伝導部材の熱コンダクタンス０．３〜１Ｗ／Ｋが排熱能力を律速するので、入熱が定常な状態では、設定温度の制御応答性が良い。しかし、入熱が過渡的な環境では、熱コンダクタンスが小さいため制御応答性が悪く、プロセス処理開始時の入熱の過渡的状態では基板温度が変動する。
【００１２】
したがって、基板ホルダがプラズマ等の入熱のない状態、またプラズマ等からの入熱が過渡的に生じる状態、入熱が定常的に生じている状態のいずれにおいても、基板温度を設定温度±１０℃に１０秒以内に制御し、水冷ジャケットの循環水温度を１００℃以下で使用するためには、基板ホルダから水冷ジャケット間の熱コンダクタンスを可変する機能を有する必要がある。
【００１３】
特許文献３の技術は、２００℃以下のプロセス温度において用いられており、２００〜５００℃の温度条件での基板温度の制御を想定していない。これに対し、特許文献４および５の技術では、２００〜５００℃の設定温度に制御され、熱交換用の循環媒体を介して熱交換を行うことができる機構を有する基板ホルダが用いられている。この種の基板ホルダは、循環用媒体が油性であるためメンテナンス時に漏洩や付着等による汚染が生じ易く、クリーンルームでの取り扱いに不都合が生じていた。この冷却媒体（循環媒体）は発火性を有する特性のものが多く、クリーンルームの安全上のリスクを伴った使用がなされている。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑み、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を発火性のない冷却媒体にもたせながらも、２００〜５００℃の温度範囲で高速かつ高精度に基板温度を制御可能な基板ホルダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。
【００１６】
即ち、ホルダ本体の基板保持側に静電チャックを備え、基板を静電吸着する基板ホルダであって、上記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、上記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、上記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、上記静電チャックと上記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、を備えていることを特徴とする基板ホルダである。
【００１７】
また、ホルダ本体の基板保持側に静電チャックを備え、基板を静電吸着する基板ホルダであって、上記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、上記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、上記ホルダ本体の内部における上記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、を備えていることを特徴とする基板ホルダである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱伝達能可変手段を備え、この熱伝達能可変手段は伝熱ガスの圧力調整を行うことにより熱伝達率を制御可能である。したがって、２００〜５００℃の温度範囲で、高速かつ高精度に基板温度を制御可能である。
【００１９】
また、熱伝達能可変手段はガス封止による熱伝達能力が可変であるので、冷却媒体を略２００℃以下で使用可能である。したがって、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を発火性のない冷却媒体にもたせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る基板ホルダの第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明に係る基板ホルダの温度変化を従来の温度変化との関係において示す説明図である。
【図３】第２の実施形態の基板ホルダを示す模式図である。
【図４】第２の実施形態における熱伝達能可変手段の横断面構造を示す断面図である。
【図５】本発明に係る基板ホルダの第３の実施形態を示す模式図である。
【図６】第４の実施形態の基板ホルダを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００２２】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係る基板ホルダの第１の実施形態を示す模式図である。図２は、本発明に係る基板ホルダの温度変化を従来の温度変化との関係において示す説明図である。
【００２３】
図１に示すように、第１の実施形態の基板ホルダ１は、スパッタリング装置に代表されるプラズマ処理装置の真空容器（図示せず）内に設けられる。この基板ホルダ１は、ホルダ本体１Ａの基板保持側（上部）に配された静電チャック３上に静電吸着により基板１０を保持する。
【００２４】
ホルダ本体１Ａは、例えば、基板１０として半導体ウエハを支持する円板状もしくは円柱状の支持部材である。ホルダ本体１Ａの内部には、循環媒体（冷却媒体）１０１を流すための循環媒体流通経路１００が区画形成されている。この循環媒体流通経路１００には、循環媒体１０１を循環供給する循環媒体供給手段２が接続され、循環媒体循環経路１００内へ循環媒体１０１を循環させることにより、ホルダ本体１Ａに熱交換機能及び排熱機能をもたせている。本実施形態では、循環媒体供給手段２として温度制御センサ２Ａ付きの循環チラーを採用しており、循環チラー２は略２００℃以下の温度（具体的には、１００〜２５０℃の温度）に制御可能となっている。循環媒体１０１としては、例えば、フッ素系媒体もしくはエチレングリコールを混合した冷却水や純水を用いることができる。
【００２５】
静電チャック３は静電吸着電極を内蔵し、基板１０を静電吸着して保持する。静電チャック３には、基板１０を加熱するための加熱手段４が内蔵されている。本実施形態では、加熱手段４として、例えば、２００〜５００℃に昇温可能な温度制御センサ４Ａ付きのヒータを採用している。
【００２６】
ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間には伝熱ガス（封止ガス）１０３が封止され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系１１０に接続された熱伝達能可変手段６が形成されている。ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に区画された熱伝達能可変手段６の周囲には、リング状の断熱部材７が配置されている。断熱部材７としては、例えば、アルミナやステンレス等の熱伝達率が２５Ｗ／ｍ2・Ｋ以下の材料が挙げられるが、ジルコニアや石英等の熱伝達率１０Ｗ／ｍ2・Ｋ未満の材料で形成することがより好ましい。この断熱部材７は、ホルダ本体１Ａと静電チャック３を断熱し、ガス封止圧の調整による熱伝達率の制御を可能にする。
【００２７】
熱伝達能可変手段６は、ガス圧力の調整により熱伝達率が可変となるように、使用するガスの平均自由行程をもとに、クヌーセン数（Ｋｕ＝λ／Ｌ  λ（ｍ）：分子の平均自由行程Ｌ（ｍ）：代表長さ）が１より大きな値が得られる隙間寸法とする。クヌーセン数を１より十分に大きい値とするのは、この場合に分子間衝突を無視することができ、流体を連続体として取り扱うことができるからである。
【００２８】
伝熱ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。基板設定温度４５０℃で、Ａｒ、Ｈｅを用いる場合は、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間を０．１５〜０．５ｍｍに設定し、封止圧を１００Ｐａ、１０００Ｐａとすることで、下記表１のように熱伝達率が可変となる。プラズマ１１等による入熱１２がない場合等、ホルダ本体１Ａの循環媒体１０１による排熱エネルギーを小さくしたい場合には、封止圧を０Ｐａとして熱伝達率を最小にする。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
また、静電チャック３と基板１０との隙間にも伝熱ガス（基板裏面ガス）１０２が封止され、伝熱ガス供給系１２０に接続されたガス封止手段８が形成される。ガス封止手段８は、基板１０の裏面をガス封止すると共に、基板１０と静電チャック３との熱伝達を行う。伝熱ガスとしては、上記と同様に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。
【００３１】
本実施形態では、熱伝達能可変手段６に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１１０と、ガス封止手段８に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１２０は別系統に形成され、それぞれ別個に圧力制御が可能となっている。例えば、熱伝達能可変手段６にＡｒを封止し、ガス封止手段８にＨｅを封止するなど、双方の伝熱ガス供給系に異なる伝熱ガスを使用してもよいし、同一の伝熱ガスを使用しても構わない。
【００３２】
このような構成により、基板１０への入熱エネルギーは、ガス封止手段８、静電チャック３及び熱伝達能可変手段６を通してホルダ本体１Ａに伝わる。ホルダ本体１Ａ内では、循環媒体１０１へ入熱エネルギーを伝熱し、循環チラー２を通して排熱する。
【００３３】
具体的には、３００ｍｍ径の基板１０を用いるスパッタリング装置やエッチング装置では、プロセス処理時の基板１０への入熱は１０００Ｗ程度である。この入熱量の場合、４５０℃に制御された静電チャック３は、基板裏面ガス（ＡｒまたはＨｅ）１０２を１００〜１ｋＰａ程度に封止する。このときの基板１０と静電チャック３の熱伝達率は１００〜５００Ｗ／ｍ2・Ｋに制御される。静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間は、熱伝達能可変手段６により封止ガス（ＨｅまたはＡｒ）１０３の圧力を制御し、熱伝達率を１０〜８０００Ｗ／ｍ2・Ｋに可変し、ホルダ本体１Ａに伝熱する。ホルダ本体１Ａ内では、冷却媒体１０１による排熱が行われる。
【００３４】
即ち、ガス封止による熱伝達構造を採用して、プラズマ等により入熱が過渡的に加わる状態において、封止圧力の調整により熱伝達率を１０〜８０００Ｗ／ｍ2・Ｋに制御する。これにより、２００〜５００℃の設定温度の変動を１０秒以内に設定温度±１０℃以内に制御することができる。また、定常的に入熱が生じる状況下においても、上記熱伝達率の範囲で制御することで、設定温度±１０℃以内に制御することができる。
【００３５】
熱伝達能可変手段６を設けることにより、基板１０は静電チャック３のヒータ４により効率よく昇温されながらも、ホルダ本体１Ａ側へも効率よく伝熱される。また、熱伝達能可変手段６はガス封止による熱伝達能力が可変であるので、循環媒体１０１を略２００℃以下で使用可能なように制御することができる。したがって、循環媒体１０１として、従来より用いられている発火性を有しない媒体、例えば、フロリナートやガルデン等のフッ素系媒体を使用することができる。
【００３６】
このように、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力制御により、熱伝達率を可変できる。したがって、静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間の部材の変更や機構的な調整を行うことなく、循環媒体１０１を略２００℃以下とし、静電チャック３を２００〜５００℃の範囲において温度制御が可能である。
【００３７】
第１の実施形態の基板ホルダによれば、図２に示すように２００〜５００℃の温度設定において、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力調整による熱伝達率の制御のみで、高速（１０秒以内）かつ高精度（±１０℃以内）に基板温度の制御を実現できる。その際、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を油性ではなく、発火性のない循環媒体１０１を用いることができ、静電チャック３からホルダ本体１Ａまで部材の変更や、機構的な調整等を行う必要はない。
【００３８】
また、熱伝達能可変手段６となる静電チャック３とホルダ本体１Ａとの隙間は、静電チャック３とホルダ本体１Ａの各材質の熱特性差による反りなどの熱変形が生じた場合でも、変形を吸収しガス伝達により安定した熱伝達率を確保できる。
【００３９】
さらに本実施形態では、熱伝達能可変手段６の周囲は断熱部材７のみで封止されているので、使用温度条件により静電チャック３を取り替える場合やメンテナンスで交換する場合も、インジウム等の熱伝達材料を使用する場合に比べて、作業が容易に行える。
【００４０】
〔第２の実施形態〕
図３は、第２の実施形態の基板ホルダを示す模式図である。図４は、熱伝達能可変手段の横断面構造を示す断面図である。第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付して説明する。
【００４１】
第２の実施形態の基板ホルダ２１は、第１の実施形態と同様の仕様の基板ホルダにおいて、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に区画形成した熱伝達能可変手段６の構造を変更したものである。
【００４２】
即ち、第２の実施形態における熱伝達能可変手段６は、対向面に起立した円弧状のフィン１６Ａ、１７Ａをそれぞれ有する第１の板状体１６と第２の板状体１７とを対向配置して区画形成されている。これら第１の板状体１６のフィン１６Ａと第２の板状体１７のフィン１７Ａとは対向配置された状態で互い違いに隣り合って配置され、空間の縦断面形状が波型形状を呈している。
【００４３】
第２の実施形態は、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏するが、特に第２の実施形態によれば、熱伝達能可変手段６の内部構造をフィン１６Ａ、１７Ａにより波型の空間構造としている。したがって、伝熱面積を増やすことができ、ホルダ本体と封止ガス間の熱移動速度を上げ、封止圧力の調整による熱伝達の制御性をより高めることができるという特有の効果を奏する。
【００４４】
〔第３の実施形態〕
図５は、本発明に係る基板ホルダの第３の実施形態を示す模式図である。図２は、本発明に係る基板ホルダの温度変化を従来の温度変化との関係において示す説明図である。
【００４５】
図５に示すように、第３の実施形態の基板ホルダ１は、スパッタリング装置に代表されるプラズマ処理装置の真空容器（図示せず）内に設けられる。この基板ホルダ１は、ホルダ本体１Ａの基板保持側（上部）に配された静電チャック３上に静電吸着により基板１０を保持する。
【００４６】
ホルダ本体１Ａは、例えば、基板１０として半導体ウエハを支持する円板状もしくは円柱状の支持部材である。ホルダ本体１Ａ内には、循環媒体（冷却媒体）１０１を流すための循環媒体流通経路１００が区画形成されている。この冷却媒体循環経路１００には、冷却媒体１０１を循環供給する循環媒体供給手段２が接続され、循環媒体流通経路１００内へ循環媒体１０１を循環させることにより、ホルダ本体１Ａに熱交換機能及び排熱機能をもたせている。本実施形態では、循環媒体供給手段２として温度制御センサ２Ａ付きの循環チラーを採用しており、循環チラー２は略２００℃以下の温度（具体的には、１００〜２５０℃の温度）に制御可能となっている。循環媒体１０１としては、例えば、フッ素系媒体もしくはエチレングリコールを混合した冷却水や純水を用いることができる。
【００４７】
ホルダ本体１Ａの内部における循環媒体流通経路１００の上部には、伝熱ガス（封止ガス）１０３の封止空間として熱伝達能可変手段６が区画形成され、熱伝達能可変手段６は封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系１１０に接続されている。この熱伝達能可変手段６の周囲は、リング状の断熱部材７で区画されている。断熱部材７としては、例えば、アルミナやステンレス等の熱伝達率が２５Ｗ／ｍ2・Ｋ以下の材料が挙げられるが、ジルコニアや石英等の熱伝達率１０Ｗ／ｍ2・Ｋ未満の材料で形成することがより好ましい。この断熱部材７は、ホルダ本体１Ａの上部と下部を熱断熱し、ガス封止圧の調整による熱伝達率の制御を可能にする。
【００４８】
熱伝達能可変手段６は、伝熱ガスの封止圧力の調整により熱伝達率が可変となるように、使用するガスの平均自由行程をもとに、クヌーセン数（Ｋｕ＝λ／Ｌ、λ（ｍ）：分子の平均自由行程、Ｌ（ｍ）：代表長さ）が１より大きな値が得られる隙間寸法とする。クヌーセン数を１より十分に大きい値とするのは、この場合に分子間衝突を無視することができ、流体を連続体として取り扱うことができるからである。
【００４９】
伝熱ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。基板設定温度４５０℃で、Ａｒ、Ｈｅを用いる場合は、熱伝達能可変手段６の隙間（間隔）を０．１５〜０．５ｍｍに設定し、封止圧を１００Ｐａ、１０００Ｐａとすることで、下記表２のように熱伝達率が可変となる。プラズマ１１等による入熱１２がない場合等、ホルダ本体１Ａの循環媒体１０１による排熱エネルギーを小さくしたい場合には、封止圧を０Ｐａとして熱伝達率を最小にする。
【００５０】
【表２】
2010041041.tif 000004
【００５１】
静電チャック３は静電吸着電極を内蔵し、基板１０を静電吸着して保持する。静電チャック３には、基板１０を加熱するための加熱手段４が内蔵されている。本実施形態では、加熱手段４として、例えば、２００〜５００℃に昇温可能な温度制御センサ４Ａ付きのヒータを採用している。
【００５２】
ホルダ本体１Ａと静電チャック３との間には、シート状の熱伝達部材５が介設されている。熱伝達部材５は、１０〜２００Ｗ／ｍ2・Ｋの範囲内の熱伝達率を有する材料で形成され、例えば、カーボンシートまたは窒化アルミニウムシート等から構成されている。
【００５３】
静電チャック３と基板１０との隙間にも伝熱ガス（基板裏面ガス）１０２のガス封止手段８が形成され、このガス封止手段８は伝熱ガス供給系１２０に接続されている。このガス封止手段８は、基板１０の裏面をガス封止すると共に、基板１０と静電チャック３との熱伝達を行う。伝熱ガスとしては、上記と同様に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。
【００５４】
本実施形態では、熱伝達能可変手段６に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１１０と、ガス封止手段８に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１２０は別系統に形成され、それぞれ別個に圧力制御が可能となっている。例えば、熱伝達能可変手段６にＡｒを封止し、ガス封止手段８にＨｅを封止するなど、双方の伝熱ガス供給系に異なる伝熱ガスを使用してもよいし、同一の伝熱ガスを使用しても構わない。
【００５５】
このような構成により、基板１０への入熱エネルギーは、ガス封止手段８、静電チャック３及び熱伝達部材５を通してホルダ本体１Ａに伝わる。ホルダ本体１Ａ内では、熱伝達能可変手段６により伝熱ガスの封止圧力を制御し、ホルダ本体１Ａの下部を流通する循環媒体流通経路１００の循環媒体１０１へ入熱エネルギーを伝熱し、循環チラー２を通して排熱する。
【００５６】
具体的には、３００ｍｍ径の基板１０を用いるスパッタリング装置やエッチング装置では、プロセス処理時の基板１０への入熱は１０００Ｗ程度である。この入熱量の場合、４５０℃に制御された静電チャック３は、基板裏面ガス（ＡｒまたはＨｅ）１０２を１００〜１ｋＰａ程度に封止する。このときの基板１０と静電チャック３の熱伝達率は１００〜５００Ｗ／ｍ2・Ｋに制御される。静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間は、熱伝達率が１０〜２００Ｗ／ｍ2・Ｋの熱伝達部材５として窒化アルミニウムシートやカーボンシート等を用いて伝熱する。ホルダ本体１Ａ内では、熱伝達能可変手段６により封止ガス（ＨｅまたはＡｒ）１０３の圧力を制御し、熱伝達率を１０〜８０００Ｗ／ｍ2・Ｋに可変して、ホルダ本体１Ａに流通する循環媒体１０１に伝熱して排熱が行われる。
【００５７】
即ち、ガス封止による熱伝達構造を採用して、プラズマ等により入熱が過渡的に加わる状態において、封止圧力の調整により熱伝達率を１０〜８０００Ｗ／ｍ2・Ｋに制御する。これにより、２００〜５００℃の設定温度の変動を１０秒以内に設定温度±１０℃以内に制御することができる。また、定常的に入熱が生じる状況下においても、上記熱伝達率の範囲で制御することで、設定温度±１０℃以内に制御することができる。
【００５８】
熱伝達能可変手段６を設けることにより、基板１０は静電チャック３のヒータ４により効率よく昇温されながらも、ホルダ本体１Ａの下部を流通する循環媒体１０１へ効率よく伝熱される。また、熱伝達能可変手段６はガス封止による熱伝達能力が可変であるので、循環媒体１０１を略２００℃以下で使用可能なように制御することができる。したがって、循環媒体１０１として、従来より用いられている発火性を有しない媒体、例えば、フロリナートやガルデン等のフッ素系媒体を使用することができる。
【００５９】
このように、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力制御により、熱伝達率を可変できる。したがって、静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間の部材の変更や機構的な調整を行うことなく、循環媒体１０１を略２００℃以下とし、静電チャック３を２００〜５００℃の範囲において温度制御が可能である。
【００６０】
第３の実施形態の基板ホルダ１によれば、図２に示すように２００〜５００℃の温度設定において、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力調整による熱伝達率の制御のみで、高速（１０秒以内）かつ高精度（±１０℃以内）に基板温度の制御を実現できる。その際、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を油性ではなく、発火性のない循環媒体１０１を用いることができ、静電チャック３からホルダ本体１Ａまで部材の変更や、機構的な調整等を行う必要はない。
【００６１】
また、熱伝達能可変手段６となる静電チャック３とホルダ本体１Ａとの隙間は、静電チャック３とホルダ本体１Ａの各材質の熱特性差による反りなどの熱変形が生じた場合でも、変形を吸収しガス伝達により安定した熱伝達率を確保できる。
【００６２】
さらに本実施形態では、熱伝達能可変手段６の周囲は断熱部材７のみで封止されているので、使用温度条件により静電チャック３を取り替える場合やメンテナンスで交換する場合も、インジウム等の熱伝達材料を使用する場合に比べて、作業が容易に行える。
【００６３】
〔第４の実施形態〕
図６は、第４の実施形態の基板ホルダを示す模式図である。図４は、熱伝達能可変手段の横断面構造を示す断面図である。第３の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付して説明する。
【００６４】
第４の実施形態の基板ホルダ２１は、第３の実施形態と同様の仕様の基板ホルダにおいて、ホルダ本体１Ａの内部の循環媒体流通経路１００の上部に区画形成した熱伝達能可変手段６の構造を変更したものである。
【００６５】
即ち、第４の実施形態における熱伝達能可変手段６は、対向面に起立した円弧状のフィン１６Ａ、１７Ａをそれぞれ有する第１の板状体１６と第２の板状体１７とを対向配置して区画形成されている。これら第１の板状体１６のフィン１６Ａと第２の板状体１７のフィン１７Ａとは対向配置された状態で互い違いに隣り合って配置され、空間の縦断面形状が波型形状を呈している。
【００６６】
第４の実施形態は、基本的に第３の実施形態と同様の作用効果を奏するが、特に第４の実施形態によれば、熱伝達能可変手段６の内部構造をフィン１６Ａ、１７Ａにより波型の空間構造としている。したがって、伝熱面積を増やすことができ、ホルダ本体と封止ガス間の熱移動速度を上げ、封止圧力の調整による熱伝達の制御性をより高めることができるという特有の効果を奏する。
【００６７】
〔第５の実施形態〕
以下、本発明の基板ホルダを用いて、基板温度を制御する方法について説明する。
【００６８】
（１）制御方法１
＜プロセス開始前＞
基板１０を静電チャック３内の加熱手段４で加熱し、設定温度まで昇温させ、プロセス開始まで一定に保つ。この時、熱伝達能可変手段６の封止ガス１０３は供給しない。
【００６９】
＜プロセス開始後＞
プラズマからの入熱により基板温度（＝静電チャック温度）が上昇したら、熱伝達能可変手段６の封止ガス１０３を供給し、封止ガスの圧力を一定に維持して、基板温度を設定温度まで下げる。尚、基板温度が設定温度に近づいた時点で、封止ガスの圧力を下げてもよい。基板温度が設定温度となった後は、加熱手段４での加熱と、熱伝達能可変手段６を通した排熱のバランスを調節し、基板温度を設定温度に保つ。
【００７０】
（２）制御方法２
＜プロセス開始前＞
基板１０を静電チャック３内の加熱手段４で加熱し、設定温度まで昇温させる。その後、熱伝達能可変手段６の封止ガス１０３を供給し、封止ガスの圧力を、あらかじめ測定した、排熱に必要な熱伝達率が得られる圧力に維持すると共に、加熱手段の加熱能力を調整し、プロセス開始まで基板温度を設定温度に保つ。
【００７１】
＜プロセス開始後＞
プラズマからの入熱により基板温度（＝静電チャック温度）が上昇したら、加熱手段４での加熱と、熱伝達能可変手段６を通した排熱のバランスを調節し、基板温度を設定温度に保つ。
【００７２】
（３）制御方法３
＜プロセス開始前＞
制御方法２と同じである。
【００７３】
＜プロセス開始後＞
プラズマからの入熱により基板温度（＝静電チャック温度）が上昇したら、熱伝達能可変手段６の封止ガス１０３の圧力を上昇し、基板温度を下げる。基板温度が設定温度に近づいた時点で、封止ガスの圧力を下プロセス開始前の圧力に戻す。基板温度が設定温度となった後は、加熱手段４での加熱と、熱伝達能可変手段６を通した排熱のバランスを調節し、基板温度を設定温度に保つ。
【００７４】
本発明は、上記の第１から第５の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、熱伝達能可変手段６における熱伝達エネルギー量が不足する場合には、これらの上下面の表面を黒色として熱放射率と熱吸収率を高め、放射による伝達エネルギー量を高めればよい。
【００７５】
また、熱伝達能可変手段６では、ガスの気密性を高めるため、断熱部材７の上下に２００〜５００℃の温度条件下においても使用可能なシール材、たとえばカーボンシートなどを配設してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係る基板ホルダは、スパッタリング装置やドライエッチング装置のみならず、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等の真空容器を備えた処理装置の基板ホルダとして適用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１、２１  基板ホルダ
１Ａ  ホルダ本体
２  循環媒体供給手段
３  静電チャック
４  ヒータ
５  熱伝達部材
６  熱伝達能可変手段
７  断熱部材
８  ガス封止手段
１０  基板
１６  第１の板状体
１６Ａ、１７Ａ  フィン
１７  第２の板状体
１００  循環媒体流通経路
１０１  循環媒体
１０２、１０３  伝熱ガス
１１０、１２０  伝熱ガス供給系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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