(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理室内に配置された、伝熱媒体保持空間を有する基板載置台と、前記伝熱媒体保持空間に伝熱媒体を供給する伝熱媒体源の間に設けられた、一部に、前記伝熱媒体源から前記基板載置台への方向とは逆方向の流路を有する伝熱媒体流路を含むことを特徴とするプラズマ処理装置用基板温度調整機構。
【請求項２】
前記伝熱媒体流路が、3重の入れ子円筒状流路を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置用基板温度調整機構。
【請求項３】
前記伝熱媒体流路が、2回折り返しの線状流路を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置用基板温度調整機構。
【請求項４】
a) プラズマ処理室内に配置された、伝熱媒体保持空間を有する基板載置台と、
b) 前記伝熱媒体保持空間に伝熱媒体を供給する伝熱媒体源と、
c) 前記伝熱媒体保持空間と前記伝熱媒体源の間に設けられた、一部に、前記伝熱媒体源から前記基板載置台への方向とは逆方向の流路を有する伝熱媒体流路と
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウエハ等の半導体基板の表面をエッチングしたり成膜するためのプラズマ処理装置に関し、特に、処理中にその半導体基板の温度を調整する基板温度調整機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板をプラズマ処理する場合、処理に伴い半導体基板の温度が上昇し、適正な処理が行えなくなったり半導体基板に損傷を与える可能性があるため、処理中は半導体基板を冷却しておかなければならない。通常、半導体基板の冷却は、半導体基板の下面とそれを載置した下部電極の上面の間に伝熱媒体を流し、この伝熱媒体を冷却機構で冷却することにより行う。この伝熱媒体としては、一般に、熱伝導率が高く、流動性が高いヘリウム（He）ガスが用いられる。
【０００３】
プラズマ処理を行っている間、半導体基板が載置されている下部電極にはプラズマを生成するための高周波電圧が印加される他、プラズマ処理によっては高いバイアス直流電圧が発生する。一方、下部電極と半導体基板の間に伝熱媒体を供給し、それを冷却する冷却機構は、第一に作業の際の安全を確保しなければならないことから、接地（グラウンド）電位としておかなければならない。そうすると、両者の間を流れる伝熱媒体には、下部電極に印加される（及び発生する）と同じ高電圧が印加されることになり、伝熱媒体がヘリウムガス等の十分高い電気抵抗を持たない媒体の場合、それを通じた放電が生ずることがある。このような放電が生ずると、下部電極に十分なプラズマ生成用電力が供給されなくなる他、放電により冷却媒体供給機構が損傷することもある。
【０００４】
このような放電を防止するため、特許文献１では伝熱媒体の流路に、多数の小径の孔を設けた流路部材（離隔材）を複数設けている。また、孔の位置を変えた流路部材を複数直列に配置することにより、さらに放電を生じにくくしている。特許文献２においても同様に小径の孔を多数設けた離隔材の他、螺旋状の通路を設けた離隔材や多孔質材を用いた離隔材などが開示されている。特許文献３には、伝熱媒体の流路に、側壁から垂直に突出する襞を設けるという技術が開示されている。特許文献４は流路の径を所定値以上に小さくするという技術を開示している。特許文献５は、ランダムな空泡を有するコマと呼ばれる離隔材を流路に配置するという技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平06-244119公報
【特許文献２】特開平11-031680公報
【特許文献３】特開2008-117849公報
【特許文献４】特開2008-117850公報
【特許文献５】特開2009-218607公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術はいずれも流路を小さくしたり流路に離隔材を配置することにより、高電圧が印加される2点の間で電離した伝熱媒体が容易に移動できないようにするという考え方から構成されている。
しかし、そのような構成は同時に、放電が生じない場合にも伝熱媒体の流通抵抗となるため、十分な伝熱（冷却）を行うことができないという問題がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、伝熱効果を十分に確保しつつ、伝熱媒体中の放電をできるだけ防止することのできるプラズマ処理装置用基板温度調整機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構は、
プラズマ処理室内に配置された、伝熱媒体保持空間を有する基板載置台と、前記伝熱媒体保持空間に伝熱媒体を供給する伝熱媒体源の間に設けられた、一部に逆方向の流路を有する伝熱媒体流路を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構は、基板載置台の伝熱媒体保持空間と伝熱媒体源の間に設けられた伝熱媒体流路の一部に、逆方向の流路を有する。すなわち、伝熱媒体が伝熱媒体源から基板載置台の伝熱媒体保持空間に供給される際、伝熱媒体は全体としては伝熱媒体源から伝熱媒体保持空間（基板載置台）の方向に流れるが、一部の流路（逆方向流路）において、伝熱媒体保持空間（基板載置台）から伝熱媒体源の方向に流れる。本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構では、これらの流路は必ずしも径を小さくする必要はないので、伝熱媒体の流通に対する抵抗はほとんど生じない。一方、通常、接地電位である伝熱媒体源とプラズマ処理用の高電圧が印加される基板載置台の間の伝熱媒体に仮に放電が生じたとしても、放電による電荷はその逆方向流路において逆の電位差に抗して流れなければならないため、放電の継続が困難となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構では、基板載置台の伝熱媒体保持空間と伝熱媒体源の間の伝熱媒体流路の一部に逆方向の流路を有するため、仮に伝熱媒体源と基板載置台の間の伝熱媒体に放電が生じたとしても、放電電荷はその逆方向流路において逆の電位差に抗して流れなければならないため、放電の継続が困難となる。一方、流路の径は必ずしも小さくする必要がないので、伝熱媒体の流通に対する抵抗はほとんど生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る基板温度調整機構を用いた誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置の全体構成図。
【図２】本発明に係る基板温度調整機構の逆路部の一例の断面図。
【図３】本発明に係る基板温度調整機構の逆路部の別の例の斜視図(a)、及び、前記逆路部を構成する半割部材の平面図、正面図及び側面図(b)。
【図４】本発明に係る基板温度調整機構を用いた容量結合型プラズマ処理装置の全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る基板温度調整機構を備えたプラズマ処理装置について説明する。図１は本実施例のプラズマ処理装置の概略構成図であり、この図から明らかなように、本プラズマ処理装置１０は処理室１１の上部にプラズマ励起用の高周波コイル１３を備えた誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置（ICP-RIE）である。
【００１３】
詳しく述べると、処理室１１を囲う筐体１２の上部には誘電体製の窓１４が設けられ、高周波コイル１３はその直上に設けられている。処理室１１の下部には、被処理基板１５を載置する平面状の下部電極１６が配設されている。高周波コイル１３の上端は整合器１７を介して上部高周波電源１８の一方の端子に接続され、下端は接地されるとともに該上部高周波電源１８の他方の端子に接続されている。また、下部電極１６はブロッキングコンデンサ１９、整合器２０を介して下部高周波電源２１に接続されている。
【００１４】
アルミニウム等の金属から形成される下部電極１６内には、該下部電極１６を冷却するための冷却水路２２が設けられている。下部電極１６の上部には、被処理基板１５を固定するための静電チャック２３が設けられており、静電チャック２３には、被処理基板１５を冷却するための伝熱媒体を流す、溝状の伝熱媒体保持空間２４が設けられている。伝熱媒体保持空間２４には、筐体１２の外に設けられた伝熱媒体源からポンプ（いずれも図示せず）により金属製の伝熱媒体流路２５を通じて伝熱媒体が送給される。伝熱媒体としては一般的には、熱伝導率が高く流動性の高いヘリウムガスが用いられる。これらと図示せぬ基板温度制御部が基板温度調整機構を構成し、プラズマ処理中に被処理基板１５の温度が適切な範囲内に維持されるように制御する。
【００１５】
筐体１２にはまた、筐体１２内にプラズマガスを導入するガス導入口２６と、処理室１１内を排気するための排気口２７が設けられている。
【００１６】
このプラズマ処理装置１０により被処理基板１５を例えばエッチング処理する場合は、次のように行う。ロードロック２８を開け、下部電極１６上に被処理基板１５を載置して、静電チャック２３で被処理基板１５を下部電極１６に固定する。ロードロック２８を密閉した後、排気口２７に接続した真空ポンプ（図示せず）で処理室１１内を排気し、十分な真空度に達したらガス導入口２６からプラズマガスを処理室１１内に供給する。そして、高周波コイル１３に高周波電力を供給し、下部電極１６にバイアス高周波電圧を印加する。これにより、被処理基板１５の上部にプラズマが生成し、それにより生じた反応性イオンにより被処理基板１５の表面がエッチングされる。
【００１７】
ここで、下部電極１６には前記の通り高周波電圧が印加される一方、筐体１２は接地されている。従って、下部電極１６と筐体１２とは絶縁板２９により絶縁されている。また、筐体１２外に設けられている伝熱媒体源も電気的には接地電位にあるため、下部電極１６と伝熱媒体源の間にも絶縁板２９が介挿されるが、伝熱媒体は伝熱媒体源から下部電極１６の伝熱媒体保持空間２４内まで連続的に供給されざるを得ないため、両箇所の伝熱媒体には高電圧が印加された状態となる。
【００１８】
例えば、バイアス高周波（RF）電力を1kW程度供給すると、下部電極１６の面積やプラズマガスの圧力等によるが、下部電極１６と接地間には3000V（Vpp）程度のRF電圧が発生する。100Pa以下の高真空であるか10000Pa以上から大気圧程度の低真空であれば放電は生じにくいが、伝熱媒体がヘリウムである場合、被処理基板１５をヘリウム冷却するに必要な最低圧力域である1000Pa〜5000Pa程度の圧力では、パッシェンの法則により放電が生じやすい状況にある。このため、従来のように伝熱媒体流路２５の途中に数cm程度のセラミック等の離隔材を設けた程度では容易に放電が開始する。
【００１９】
そこで本実施例のプラズマ処理装置１０の基板温度調整機構では、伝熱媒体流路２５中に、逆路部３０を設ける。逆路部３０の一つの構成例を図２に示す。図２に示す逆路部３０は、円筒状の本体３１内に、中心から外側にかけて3重の入れ子にした同心筒状の流路を設けたものであり、最も内側の流路３４では伝熱媒体（ヘリウムガス）は図２において下から上に流れ、その次の流路３３ではその逆に上から下に流れ、中心の流路３２ではまた下から上に流れる。もちろん、逆路部３０を反転させることにより、これらの方向を全て反対にすることもできる。このような逆路部３０は、上下の2個の部材３５、３６と、中子部材３７を組み合わせることにより形成することができる。なお、中子部材３７は適宜の箇所で細いステム３８等により上部材３５又は下部材３６に固定する。
【００２０】
このような構成とすることにより、伝熱媒体（ヘリウムガス）が伝熱媒体流路２５を経由して伝熱媒体源から伝熱媒体保持空間２４に送給される間、この逆路部３０の3本の流路３２、３３、３４のいずれかの流路（例えば、図２では流路３３）において逆方向に流れる。この伝熱媒体流路２５全体として伝熱媒体に印加される電圧を順電圧とすると、その流路（図２では流路３３）では伝熱媒体は逆電圧を受けるため、仮に伝熱媒体を通じた放電が生じたとしても、その部分において荷電粒子は逆電圧の方向に移動しなければならないことになり、放電の伝播が阻止される。このため、本実施例の基板温度調整機構では、伝熱媒体（ヘリウムガス）の流通をほとんど妨げることなく、それを介した放電のみを阻止することができる。
【００２１】
逆路部３０の別の構成例を図３(a)に示す。この逆路部４０では、本体４１内に、2回の折り返しによりZ字状を成す線状の流路（これを「2回折り返しの線状流路」と呼ぶ。）を有する。これにより、中間の流路４３では伝熱媒体がその前後の流路４２、４４とは逆の方向に流れるため、上記と同様の効果が得られる。このような逆路部４０は、図３(b)に示すような半割部材４５を接合することにより作製することができるため、低コストで製造することができる。
【００２２】
なお、上記実施例では誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置（ICP-RIE）により説明したが、本発明に係る基板温度調整機構は、それ以外の誘導結合型プラズマ処理装置や、容量結合型プラズマ処理装置（図４）についても同様に用いることができる。図４の容量結合型プラズマ処理装置において、被処理基板を載置する下部電極等はほぼ上記実施例の誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置（ICP-RIE）と同様に構成することができ、上部電極５０において異なるのみである。
【符号の説明】
【００２３】
１０…プラズマ処理装置
１１…処理室
１２…筐体
１３…高周波コイル
１４…誘電体窓
１５…被処理基板
１６…下部電極
１７、２０…整合器
１８…上部高周波電源
１９…ブロッキングコンデンサ
２１…下部高周波電源
２２…冷却水路
２３…静電チャック
２４…伝熱媒体保持空間
２５…伝熱媒体流路
２６…ガス導入口
２７…排気口
２８…ロードロック
２９…絶縁板
３０…逆路部
３１…本体
３２、３３、３４…流路
３５…上部材
３６…下部材
３７…中子部材
３８…ステム
４０…逆路部
４１…本体
４２、４３、４４…流路
４５…半割部材
５０…上部電極
【図１】
0006573252.tif 000002
【図２】
0006573252.tif 000003
【図３】
0006573252.tif 000004
【図４】
0006573252.tif 000005