(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
載置面と、出口端が該載置面に開口する冷却ガス供給流路とを有する基板載置台と、
前記載置面に載置される板状のトレイであって、
a) 表面に形成された、それぞれ基板を収納する１乃至複数の第１凹部と、
b) 裏面に形成された、前記冷却ガス供給流路の出口端の面積よりも大きく前記第１凹部の底面積よりも小さい底面積を有する凹部であって、該トレイが前記載置面上に載置された状態で前記冷却ガス供給流路の出口端を覆うように形成された第２凹部と、
を備えたトレイと、
前記載置面と前記トレイの裏面の少なくとも一方に設けられ、一方が前記第２凹部に接続され他方が前記基板載置台及び該トレイの外部に開放された冷却ガス流路と
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において用いられるトレイ。
【請求項３】
前記裏面に、前記第２凹部に連通する溝部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のトレイ。
【請求項４】
前記第２凹部の深さが、前記冷却ガス供給流路の出口端から遠くなるにつれて浅く形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のトレイ。
【請求項５】
前記溝部及び／又は前記第２凹部から前記第１凹部に貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のトレイ。
【請求項６】
複数の前記第１凹部が、前記冷却ガス供給流路の出口端から等距離に形成されていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のトレイ。
【請求項７】
基板載置台内に設けられた冷却ガス供給流路から該基板載置台と該基板載置台の上に載置される板状のトレイの間に形成された冷却ガス流路に冷却ガスを流通させるプラズマ処理装置において、
該トレイが、
a) 表面に形成された、それぞれ基板を収納する１乃至複数の第１凹部と、
b) 裏面に形成された、前記冷却ガス供給流路の出口端の面積よりも大きく前記第１凹部の底面積よりも小さい底面積を有する凹部であって、該トレイが前記基板載置台上に載置された状態で前記冷却ガス供給流路の出口端を覆うように形成された第２凹部と、
を備え、
前記第２凹部の深さが、前記冷却ガス供給流路の出口端から遠くなるにつれて浅く形成されており、
前記第２凹部の内部における前記冷却ガス流路の断面積が一定である
ことを特徴とするトレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置において基板を載置するために用いられるプラズマ処理装置用トレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置では、反応容器内に設けられた基板載置台に１乃至複数の基板を載置してプラズマエッチング処理やプラズマ製膜処理等のプラズマ処理を行う。例えば、プラズマエッチング処理装置では、反応容器内に原料ガスを供給するとともに、反応容器内で上下に対向配置された上部電極と下部電極の間に高周波電圧を印加することによって、原料ガスをプラズマ化し、それにより生成したイオンを基板に入射させて基板をエッチングする。基板載置台は下部電極上に設けられ、基板載置台内には基板を静電的に保持するための機構（静電チャック）も設けられる。
【０００３】
プラズマ処理中は、イオンの入射や反応熱の発生により基板の温度が上昇する。基板の温度が過度に上昇すると、基板が変性したり、基板上に形成された電子回路に欠陥が生じたりする。そのため、基板載置台にはプラズマ処理中の基板を冷却するための冷却機構も設けられている（例えば特許文献１）。具体的には、基板載置台の内部にヘリウム等の冷却ガスを供給する流路（冷却ガス供給流路）が形成され、上面中央の該流路の開口から周囲に向かって、放射状や網目状に広がる溝が形成されている。
【０００４】
最近では、複数の基板を一度にプラズマ処理装置にセットしたり取り出したりすることができるように、複数の基板を載置可能なトレイが用いられている。こうしたトレイの表面には、複数の基板を載置する位置にそれぞれ凹状の基板収納部が設けられており、該基板収納部に基板を載置した状態でトレイが基板載置台にセットされる（例えば特許文献２、３）。
【０００５】
特許文献２に記載のトレイの裏面は平坦であり、冷却ガス供給流路の開口を出た冷却ガスはその流れが急激に曲げられる。また、通常、基板載置台の上面の溝の断面積は冷却ガス供給流路の断面積に比べて小さい。そのため、冷却ガス供給流路からの冷却ガスが基板載置台の表面の溝に流れ込みにくく、トレイ及び該トレイに載置された基板の冷却効率が悪い。そこで、特許文献３では、トレイの裏面にトレイ表面の基板載置部（凹部）よりも広い凹部を形成し、この凹部に冷却ガスを供給することにより基板の全面で冷却を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３３０２１９号公報
【特許文献２】特開２０１２−７４６５０号公報
【特許文献３】特開２０１０−９８０１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
基板を載置するトレイを用いると、まず冷却ガスによってトレイが冷却され、そのトレイを介して基板が冷却される。そのため、トレイの熱容量を小さくして基板の冷却効率を高めるように薄いトレイが用いられる。また、一度に多くの基板を取り扱うために大型のトレイが用いられることが多い。このように薄く大きなトレイにおいて、特許文献３に記載のように裏面の広い範囲に凹部を形成すると、トレイがさらに薄くなり、撓みが大きくなりやすい。トレイが大きく撓むと基板載置台の上面にある冷却ガス供給流路の出口が塞がれ、冷却ガスの流れが悪くなって基板の冷却効率が低下する、という問題があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、従来同様の基板の冷却効率を維持することができ、大きな撓みが発生しにくいプラズマ処理装置用のトレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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は、
載置面と、出口端が該載置面に開口する冷却ガス供給流路とを有する基板載置台と、
前記載置面に載置される板状のトレイであって、
a) 表面に形成された、それぞれ基板を収納する１乃至複数の第１凹部と、
b) 裏面に形成された、前記冷却ガス供給流路の出口端の面積よりも大きく前記第１凹部の底面積よりも小さい底面積を有する凹部であって、該トレイが前記載置面上に載置された状態で前記冷却ガス供給流路の出口端を覆うように形成された第２凹部と、
を備えたトレイと、
前記載置面と前記トレイの裏面の少なくとも一方に設けられ、一方が前記第２凹部に接続され他方が前記基板載置台及び該トレイの外部に開放された冷却ガス流路と
を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記冷却ガス流路は、基板載置台の上面に形成されていてもよいし、トレイの下面（裏面）に設けられていてもよい。もちろん、双方に設けられていてもよい。
本発明に係るトレイでは、冷却ガス供給流路から流出する冷却ガスを、第２凹部を経由させて冷却ガス流路に流し込む。そのため、冷却ガスの流れが急激に曲げられることがなく、裏面の広い範囲に凹部が形成されたトレイと同様に冷却ガスを円滑に流通させ高い効率で基板を冷却することができる。また、冷却ガス供給流路の出口端が上面中央に位置し、そこから放射状（又はそれに加えて同心円状）に溝が形成された、典型的な構成の基板載置台上に本発明に係るトレイを載置した場合、冷却ガス供給流路の出口端から流出した冷却ガスは第２凹部を経由して溝に流れ込み、放射状（及び同心円状）に広がる。トレイ上に複数の基板が載置されていると、それら複数の基板が均等に冷却されるという利点がある。
本発明に係るトレイでは、裏面の限られた範囲にのみ凹部（第２凹部）を形成するため、裏面の広い範囲に凹部が形成された従来のトレイに比べて大きな撓みが発生しにくく、冷却ガス供給流路の出口を塞ぐ心配がない。
【００１１】
本発明に係るトレイは、
c) 前記裏面に、前記第２凹部に連通する溝部
が形成されていることが好ましい。
【００１２】
この態様では、上記溝部が冷却ガス流路になる。つまり、この態様のトレイは、基板載置台の上面が平坦であり冷却ガス流路が形成されていない場合にも用いることができる。基板載置台の上面に溝などの冷却ガス流路が形成されている場合には、基板載置台の溝とトレイ裏面の溝の両方が冷却ガス流路になり、より一層冷却ガスを円滑に流通させることができる。
【００１３】
本発明に係るトレイは、
前記第２凹部の深さが、前記冷却ガス供給流路の出口端から遠くなるにつれて浅く形成されている
ことが好ましい。
【００１４】
このように冷却ガス供給流路の出口端から遠くなるにつれて第２凹部を浅くすると、該第２凹部の容積をより小さく抑え、大きな撓みをより発生しにくくすることができる。
また、冷却ガス供給流路の出口端から第２凹部に流れ込んだ冷却ガスは、そこから放射状に広がって流れる。従って、冷却ガス供給流路から遠くなるにつれて第２凹部を浅くしても必要十分な広さの冷却ガス流路を確保することができる。例えば、冷却ガス流路の断面積が一定になるように第２凹部の深さを調整すれば、該第２凹部内での冷却ガスの圧力を均一にして冷却ガスの流れをさらに円滑にすることができる。
【００１５】
本発明に係るトレイは、
d) 前記溝部及び／又は前記第２凹部から前記第１凹部に貫通する貫通孔
が形成されていることが好ましい。この貫通孔を設けることにより、溝部に流れ込んだ冷却ガスをトレイの表面側に送りこみ、基板を裏面側から直接冷却することができる。
【００１６】
本発明に係るトレイは、
複数の前記第１凹部が、前記冷却ガス供給流路の出口端から等距離に形成されている
ことが好ましい。このように複数の第１凹部を配置することにより、それら複数の第１凹部に載置された基板を均等に冷却することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るトレイを用いると、従来同様の基板の冷却効率を維持することができ、また、従来のトレイに比べて大きな撓みが生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るトレイが用いられるプラズマエッチング装置の概略構成図。
【図２】本実施例のプラズマエッチング装置における基板載置台の平面図。
【図３】本実施例のトレイの表面及び裏面の構造を示す図。
【図４】本実施例において基板載置台にトレイを載置した状態の断面図。
【図５】変形例のトレイの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明に係るプラズマ処理装置用のトレイの一実施例について説明する。以下の各図では、装置等の構成を分かりやすくするために、各構成要素の大きさを適宜に拡大・縮小している。
【００２０】
図１は、本実施例のトレイが用いられるプラズマエッチング装置の概略構成図である。被処理基板（以下、単に「基板」と呼ぶ。）がエッチングされる反応室１０の内部は、アルミニウム製の上部電極１２及び下部電極１３が対向配置されている。反応室１０の側壁には、トレイ１１等を出し入れするためのロードロック機構１６と、反応室１０内のガスを排出するための排気口１８が設けられており、排気口１８には真空ポンプ（図示なし）が接続されている。
【００２１】
上部電極１２は中空で下面に多数の開口を有しており、原料ガス供給流路１９から供給される原料ガスを反応室１０の内部に送給するシャワーヘッドとしても機能する。下部電極１３の上面にはニッケルからなる溶射膜（図示なし）を挟んで酸化アルミニウムからなる誘電層１４が形成されており、これらが一体となって基板載置台１５となる。下部電極１３の内部には、図示しない冷媒供給部からの冷媒を流通させる流路（冷媒流路２３）が設けられている。
【００２２】
図２は、基板載置台１５の平面図である。基板載置台１５（下部電極１３及び誘電層１４）は、周縁にガスシール部２２が形成された、上面が円形の部材である。基板載置台１５の内部には、該基板載置台１５の上面中央に冷却ガスを供給する流路（冷却ガス供給流路１７）が設けられている。また、基板載置台１５の上面には多数の円柱状の凸部２０（直径0.8mm、高さ0.015mm、間隔2.6mm）が設けられている。
【００２３】
基板載置台１５の上面中央に位置する冷却ガス供給流路１７から供給された冷却ガス（例えばヘリウムガス）は、図２中に矢印で示すように、凸部２０間に形成される凹部２１を流れ、ガスシール部２２を経て基板載置台１５の外部に流れ出る。基板載置台１５を半導体製造装置において使用する場合に冷却ガスが大量に反応室１０の内部に流れ込むと、製造プロセスに影響することがある。そのため、本実施例の基板載置台１５では上面の周縁部にガスシール部２２を設けて反応室１０内に流れ込む冷却ガスの量を調整している。なお、通常、冷却ガス供給流路１７の出口端における冷却ガスの圧力は、数百Paから数千Paであり、ガスシール部２２の出口では数百Pa以下である。
【００２４】
トレイ１１と基板載置台１５の距離が、冷却ガスの平均自由行程よりも小さければ、つまり分子流であれば、冷却ガスによる熱通過率は、ほぼそのガス圧力に比例する。この場合には、ガス圧力を制御することにより基板温度を制御することができる。例えば、圧力が500Paのヘリウムガスの平均自由行程は約20μmである。従って、凸部２０間の隙間（凹部２１の幅）が20μm以下であれば、ヘリウムガスの圧力を制御することによってトレイ１１の温度を制御できる。本実施例では、トレイ１１と凸部２０の隙間が数μm程度であり、この部分では熱通過率が圧力に比例する。そのため、ヘリウムガスの圧力を均一化することによって、トレイ１１と基板載置台１５の間の熱通過率を均一にすることができる。その結果、トレイ１１から基板載置台１５側に熱を均一に流してトレイ１１の温度を全面にわたって均一に冷却できる。
【００２５】
図３に本実施例のトレイ１１の構成を示す。図３(a)にトレイの表面の構成、図３(b)にトレイの裏面の構成を示す。トレイ１１は、厚さ1.5mm、直径200mmの円盤状であり、表面の４箇所に基板を収納する、深さ0.3mm、直径77.5mmの凹部（基板収納部２４）を有している。基板収納部２４内には幅6mm、高さ0.3mmの座繰り部（土手２５）が設けられ、その内側にはハニカム状に配置された多数の高さ0.03mmの凸部２６によって凹凸構造が形成されている。また、各基板収納部２４の内部には、裏面側から貫通する１３箇所の貫通孔２７が形成されている。なお、トレイの厚さは、大きく撓むことがない程度の厚さを有し、かつ冷却効率が低下しない程度の薄さであれば、適宜に決めることができる。トレイの大きさに対する厚さの比は、トレイの材料の硬度によって異なるが、例えば本実施例のようにトレイがTi含有アルミナである場合、トレイの大きさ（直径）に対して0.5％〜2.0％の範囲にすることが好ましい。
【００２６】
トレイ１１の裏面の中央部には上述の冷却ガス供給流路１７の出口端よりも大きい裏面凹部２８（深さ0.5mm、直径20mm）が形成されている。また、裏面凹部２８から各基板収納部２４に向かって、幅2mm、深さ300μmの溝３０aが放射状に形成されている。さらに、各基板収納部２４内にも該収納部２４内の中央から径方向に延びる溝３０bが形成されている。これらの溝３０a、３０bも、上述した基板載置台の上面の凹部２１とともに冷却ガス流路となる。なお、裏面凹部２８の大きさは、トレイの厚さや大きさ（直径）、材質などを考慮して適宜に決めることができる。例えば本実施例のようにトレイがTi含有アルミナである場合、裏面凹部２８の大きさ（直径）をトレイの大きさ（直径）の5％〜20％の範囲とし、裏面凹部２８の深さをトレイの厚さの20％〜40％の範囲にすることが好ましい。また、冷却ガスの流量（あるいは圧力）も併せて考慮することが好ましい。
【００２７】
図４に、基板載置台１５上にトレイ１１を載置した状態の拡大断面図を示す。本実施例のトレイ１１では、基板載置台１５の内部に形成された冷却ガス供給流路１７からの冷却ガスが、トレイ１１の裏面凹部２８に流れ込み、そこからトレイ１１裏面の溝３０a、３０b及び基板載置台１５の上面の凹部２１からなる冷却ガス流路に流れ込む。
【００２８】
本実施例のトレイ１１では、冷却ガス供給流路１７からの冷却ガスを受容する裏面凹部２８が形成されているため、冷却ガス供給流路１７の出口端において冷却ガスの流れが急激に曲げられることがなく、冷却ガスを円滑に流通させることができる。また、裏面凹部２８に溝３０aが接続されているため、冷却ガスは裏面凹部２８から溝３０aを通って放射状に広がっていく。さらに、溝３０a（及び３０b）に流れ込んだ冷却ガスを、貫通孔２７からトレイ１１の上面に流し込み、該トレイ１１の基板収納部２４に収容された基板を効率よく冷却することができる。
【００２９】
また、本実施例のトレイ１１では、冷却ガス供給流路１７の出口端の近傍にのみ裏面凹部２８を形成するため、トレイ１１全体の厚みを確保することができる。従って、従来のトレイ（特許文献３に記載のトレイ）のようにトレイ１１が薄くなりすぎ、大きく撓んで冷却ガス供給流路１７の出口を塞ぐ等の心配がない。なお、本実施例のトレイ１１における溝３０a、３０bと貫通孔２７は、トレイ１１及び該トレイ１１に載置される基板の冷却効率を高めるために設けた付加的な構成要素であり本発明に必須のものではない。
【００３０】
本発明の変形例のトレイ１１aを図５に示す。図４と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。変形例のトレイ１１aは、裏面凹部２８aの形状が上記実施例と異なる。具体的には、裏面凹部２８aが中央から遠くなるにつれて浅くなるように設けられており、裏面凹部２８aの内部における冷却ガス流路の断面積が一定になっている。従って、変形例のトレイ１１aでは裏面凹部２８aの内部での冷却ガスの圧力が一定になり、冷却ガスの流れがさらに円滑になる。
【００３１】
上記実施例のトレイ１１（実施例１）、裏面に溝３０a、３０bがない点を除いて上記実施例と同じ構成のトレイ（実施例２）、及び裏面凹部２８がない点を除いて上記実施例と同じ構成のトレイ（比較例）上にシリコンウエハを載置してエッチングし、エッチング中の基板温度、及びトレイと基板載置台の間の冷却ガス流路に供給されるヘリウムガスの流量を比較した。プラズマエッチング装置におけるトレイ以外の各構成要素は上記実施例と同じである。また、プラズマエッチング中は、冷却ガス供給流路１７からヘリウムガスを2000Paの圧力で導入し、反応室１０内には、フッ素系ガスを原料ガスとして導入し、下部電極１３に高周波電力を供給してシリコンウエハをエッチングした。
【００３２】
実施例１のトレイ１１では、トレイ１１の温度が55℃以上60℃未満であり、ヘリウムガスの供給流量は3.8〜5.0sccmであった。実施例２のトレイでは、トレイの温度が65℃以上70℃未満であり、ヘリウムガスの供給流量は3.8〜5.0sccmであった。比較例のトレイでは、トレイの温度が95℃以上100℃未満であり、ヘリウムガスの供給流量は1.3〜1.4sccmであった。
【００３３】
上記の結果から、実施例１及び２のトレイのいずれにおいても、比較例に比べて基板が効率よく冷却されていることが分かる。これは、実施例１及び２のトレイに裏面凹部２８が形成されており、その凹部内に冷却ガス供給流路１７からのヘリウムガスが受容され、そこから冷却ガス流路に円滑に流通した結果であると考えられる。また、実施例１では、トレイの裏面凹部２８につながる溝３０a、３０bが設けられているために、実施例２よりも冷却ガス流路の流通断面積が大きくなってヘリウムガスの流れがさらに円滑になり、この溝３０a、３０b及び貫通孔２７を介して基板が効率よく冷却されたと考えられる。
【００３４】
上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。上述したトレイの外形、凸部や溝の構成（数、大きさ、及び高さ）等はいずれも一例であり、載置する基板の枚数、形状、及び厚さなどに応じて適宜に変更することができる。例えば、トレイの基板収容凹部を多角形状や楕円形状にしたり、トレイ表面に設ける凸部を円柱状にして格子状に配置したりするなど、適宜に変更することができる。
また、上記実施例では、静電チャックにより基板を保持するトレイについて説明したが、メカニカルチャックにより基板を保持するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１０…反応室
１１、１１a…トレイ
１２…上部電極
１３…下部電極
１４…誘電層
１５…基板載置台
１６…ロードロック機構
１７…冷却ガス供給流路
１８…排気口
１９…原料ガス供給流路
２０…凸部（基板載置台）
２１…凹部（基板載置台）
２２…ガスシール部
２３…冷媒流路
２４…基板収納部
２５…土手
２６…凸部（基板収納部）
２７…貫通孔
２８、２８a…裏面凹部
３０a、３０b…溝
【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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