(57)【要約】　　　（修正有）【課題】５００℃程度の高温までの広い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保つことができ、プラズマで処理する際にはウエハへの入熱を取り除くことによりウエハの温度上昇を抑えることができるウエハ処理装置、およびウエハステージを提供する。【解決手段】ウエハ１を積載するセラミックス板１５にヒータ機能と静電チャック機能を埋め込み、このセラミックス板１５を挟んで、セラミックスボルト３６で冷却用の冷却ジャケット１４に固定する。また、セラミックス板１５と冷却ジャケット１４の間には、ウエハ１への入熱を水冷シジャケット１４に伝達するために、弾性を有する熱伝導部材２４を挟みこむ。またセラミックス板１５の側壁から放射によりチャンバへ熱が逃げることによりウエハ温度分布が悪化することを低減するため、セラミックス板１５の外周を輻射断熱材３８でカバーすることにより達成される。【選択図】　　　　図６
2004087869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハを保持するウエハステージにおいて、前記半導体ウエハを保持するためのウエハステージは、内部に直流電圧と高周波電圧を印加するための内部電極と、ヒータ配線を内蔵したセラミックス板を、内部を冷媒で冷却した冷却ジャケットにボルトで固定し、前記セラミックス板と前記冷却ジャケット間を真空断熱し、前記セラミックス板と前記冷却ジャケット間の熱移動は輻射伝熱により行うことを特徴とするウエハステージ。
【請求項２】
半導体ウエハを保持するウエハステージにおいて、前記半導体ウエハを保持するためのウエハステージは、内部に直流電圧と高周波電圧を印加するための内部電極と、ヒータ配線を内蔵したセラミックス板を、内部を冷媒で冷却した冷却ジャケットにボルトで固定し、前記セラミックス板と前記冷却ジャケット間には上下方向に弾性を有する熱伝導部材を、該熱伝導部材の両端が前記セラミックス板と前記冷却ジャケットに接触するように挟みこみ、前記セラミックス板と前記冷却ジャケットの熱移動は輻射伝熱と、前記熱伝導部材の熱伝導により行うことを特徴とするウエハステージ。
【請求項３】
半導体ウエハをプラズマ処理するウエハ処理装置において、前記半導体ウエハを保持するためのウエハステージは、内部に直流電圧と高周波電圧を印加するための内部電極と、ヒータ配線を内蔵したセラミックス板を、内部を冷媒で冷却した冷却ジャケットにボルトで固定し、前記セラミックス板と前記冷却ジャケット間を真空断熱し、前記セラミックス板に対向する前記ウエハ処理装置の部材を温調手段により制御し、前記セラミックス板は前記冷却ジャケットおよび前記部材と輻射伝熱により熱移動することにより冷却することを特徴とするウエハ処理装置。
【請求項４】
半導体ウエハをプラズマ処理するウエハ処理装置において、前記半導体ウエハを保持するためのウエハステージは、内部に直流電圧と高周波電圧を印加するための内部電極と、ヒータ配線を内蔵したセラミックス板を、内部を冷媒で冷却した冷却ジャケットにボルトで固定し、前記セラミックス板と前記冷却ジャケット間には上下方向に弾性を有する熱伝導部材を、該熱伝導部材の両端が前記セラミックス板と前記冷却ジャケットに接触するように挟みこみ、前記セラミックス板に対向する前記ウエハ処理装置の部材を温調手段により制御し、前記セラミックス板は前記冷却ジャケットと輻射伝熱および熱伝導により、かつ前記部材とは輻射伝熱により熱移動することにより冷却することを特徴とするウエハ処理装置。
【請求項５】
請求項１から４に記載のウエハステージ又はウエハ処理装置において、前記セラミックス板と前記冷却ジャケット間には高さが一定の少なくとも３個の断熱部材を挟みこんだことを特徴とするウエハステージ又はウエハ処理装置。
【請求項６】
請求項１から５に記載のウエハステージ又はウエハ処理装置において、前記セラミックス板は、前記ヒータへ投入する電力もしくは前記部材の温度もしくは前記冷媒の温度もしくは前記冷媒の流量の少なくとも１つを制御することにより、温調することを特徴とするウエハ処理方法。
【請求項７】
請求項１から５に記載のウエハステージ又はウエハ処理装置において、前記冷却ジャケットの表面に黒色塗料を塗布したことを特徴とするウエハステージ又はウエハ処理装置。
【請求項８】
請求項１から５に記載のウエハステージ又はウエハ処理装置において、前記冷却ジャケットの表面に凹凸を設けたことを特徴とするウエハステージ又はウエハ処理装置。
【請求項９】
請求項２，４，５，７，８に記載のウエハステージ又はウエハ処理装置において、前記熱伝導部材の材質はステンレス鋼またはインコネルのいずれかであることを特徴とするウエハステージ又はウエハ処理装置。
【請求項１０】
請求項２，４，５，７，８に記載のウエハステージ又はウエハ処理装置において、前記熱伝導部材の個数を調節可能であることを特徴とするウエハステージ又はウエハ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体の製造技術に属する。特に、高温でウエハを処理する処理装置と、この処理装置内に設けられるウエハステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知例（特許公報または文献）
「特開平１１−８７２４５号公報」
ルテニウムやその酸化物、白金などは誘電率の高いキャパシタ絶縁膜との相性等から次世代の半導体デバイスのキャパシタ電極に用いられる材料の有力な候補になっている。また、酸化シリコンにかわるゲート絶縁膜として、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムなどが、あるいはキャパシタ膜としてＰＺＴ（白金とジルコニウムとチタンの化合物）、ＢＳＴ（バリウムとストロンチウムとチタンの化合物）などが検討されてきている。このように将来の半導体デバイスでは、多種の新材料を使うことが検討されているが、これらの新材料は熱的、化学的に安定で、揮発性が極めて低く、不揮発性材料と呼ばれている。
【０００３】
これら不揮発性材料のエッチング加工では、処理中のウエハの温度を高温に保つことが必須となる。つまり従来のエッチング処理装置ではウエハの温度は−５０℃程度の低温から１００℃程度までが一般的であるが、この程度の温度では化学的に非常に安定であるためにエッチングされない。不揮発性材料では２００℃から５００℃といった高温で処理する必要がある。
【０００４】
そこで、最近ではウエハを高温で処理できる処理装置が必要となってきており、この様な処理装置を実現するためには、ウエハを高温に加熱できるだけでなくプラズマからの入熱がある場合にもウエハの温度分布を悪化させること無く応答性よく温度制御できるウエハステージが必要となってきている。
【０００５】
処理中のウエハの温度を高温に制御性よく管理する方法としては「特開平１１−８７２４５号公報」に開示されている。この例ではウエハを保持する基板ホルダーは、ウエハを加熱するヒータを内蔵した加熱ブロックを含む同種または異種の金属からなる複数のブロックを、拡散接合によって熱伝導性及び機密性よく接合している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、「特開平１１−８７２４５号公報」の開示例では、ウエハを保持する静電吸着ブロックと導熱ブロック、加熱ブロック、冷却ブロックが拡散接合で一体化されているため、各ブロックの温度差が小さく制御性が優れる反面、例えば静電吸着ブロックが寿命に達し交換する必要がある場合に、基板ホルダー全体を交換する必要があり、作業が大掛かりになる、交換コストが高い、といった問題がある。
【０００７】
また、ヒータからの熱も冷却ブロックに直接流れ込むため、特に高温で運転中のヒータ投入電力が大きいという問題もある。
【０００８】
さらに、処理中のウエハの温度分布に影響する輻射による熱逃げを考慮していないためにウエハの温度分布が悪化しがちであり、実施例中でも分布を改善するためにヒータを中心と外周にわけて独立に電力を供給する方法が開示されている。しかし、この場合には装置のコストが増加するという問題が発生する。
【０００９】
本発明の目的は、２００℃から５００℃程度の高温までの広い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保つことができ、プラズマで処理する際にはウエハへの入熱を取り除くことによりウエハの温度上昇を抑えることができるウエハステージ、およびウエハ処理装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、ウエハを積載するセラミックス板にヒータ機能と静電チャック機能を埋め込み、このセラミックス板を熱絶縁部材を挟みこんだ状態で、熱伝導率の小さなセラミックスボルトで冷却用の冷却ジャケットに固定する。また、セラミックス板と冷却ジャケットの間には、ウエハへの入熱を水冷シジャケットに再現性よく伝達するために、上下方向に弾性を有する熱伝導部材を挟みこむ。また、セラミックス板の側壁から放射によりチャンバへ熱が逃げることによりウエハ温度分布が悪化することを低減するため、セラミックス板の外周を輻射断熱材でカバーすることにより達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図にしたがって説明する。
【００１２】
図１、２に本発明の第一の実施例を示す。図１は本発明のウエハステージをプラズマ処理装置に実際に適用した例、図２は本発明のウエハステージを拡大した図である。
【００１３】
図１に示すように、真空チャンバ９内にエッチングガス１１を導入し、ターボ分子ポンプ１３の上流に設置したバルブ１２の開度調節によりチャンバ内を適切な圧力に保つ。真空チャンバの上部にはアルミナ製のベルジャ１０が積載してあり、このベルジャの周囲にはコイル７が設置してある。コイル７を高周波電源８に接続し、コイルの両端に高周波電圧、例えば１３．５６ＭＨｚを印加することにより誘導結合方式のプラズマ６を発生させる。ベルジャの周囲にはファン２７が複数個取りつけてあり、ベルジャの温度を一定（７０℃から１２０℃程度）に保っている。このプラズマにウエハ１を曝すことによりエッチング処理を実施する。処理中、ウエハはウエハステージ２上に積載され、温度管理されている。
【００１４】
また、ウエハにバイアス電圧を印加するために、ウエハステージには高周波電源５が接続している。また高周波電圧の給電ライン１９にはウエハステージに静電チャック機能を付与するために直流電源２２が接続してある。図中、その他の番号は、３はエッチングガスの流量を制御する流量制御器、４はゲートバルブでありウエハの搬送時には開となり、搬送アーム（図示しない）の前進・後退運動が可能となる。
【００１５】
本実施例で上記空間は、冷却ジャケット１４とセラミックス板１５とが取り付けられ層構造となった状態で、冷却ジャケット１４のセラミックス板１５に対向する面上に形成されたギャップ３７により構成される。また、冷却ジャケット１４とセラミックス板１５とは、両者の距離を適切に調節するため、これらの間にジルコニア製のスペーサ２３を挟み込んで、ジルコニア製のボルト３６で固定された構成となっている。上記ギャップ３７で構成される空間による上記距離は、ウエハステージ２の温度を応答性良く調節する、あるいは精度良く再現するために、精密に調節する必要があるので、距離に大きく影響する上記スペーサ２３の形状は重要である。
【００１６】
本実施例の冷却ジャケット１４は、セラミックス板１５と組み合わされた状態で、冷却ジャケット１４の中央部に設けられた貫通孔２９（後述）と連なる孔の周囲に設けられた凸部がセラミックス板１５の下面と接触し、冷却ジャケット１４の外周部では、上記スペーサ２３が冷却ジャケット１４の上面とセラミックス板１５の下面と接触する。凸部には前記貫通孔２９に連なる孔をギャップ３７と気密に維持するためのシール部材が設けられている。また、上記ギャップ３７で構成される空間は、処理のため真空チャンバ９内が排気されて減圧され、高い真空度に維持された状態で、同様の高い真空度に維持されるよう、真空チャンバ９内の空間と連通する連通路（図示せず）が設けられている。このようにして、空間内の流体により冷却ジャケット１４とセラミックス板１５との間の輻射による熱の伝達が抑えられたり、空間内の流体を介して冷却ジャケット１４とセラミックス板１５とが必要以上に熱を伝達したりすることを抑えている。また、上記ギャップ３７による空間と直接に連通した排気手段により排気しても良い。熱伝導の量を大きくした場合には、必要に応じてこの空間に熱伝導用の流体を流して排出するようにしても良い。
【００１７】
セラミックス板を固定するボルトの材質をジルコニアとして理由は、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ程度と非常に熱伝導率が低い上、破壊靭性値も大きく機械強度的に優れた特徴を持っているためである。したがって、ボルトを介して冷却ジャケットに逃げる熱量を抑えることができ、ウエハの温度分布が局所的に悪化することを防止することができる利点がある。しかし、必ずしもジルコニアに限るわけではなく、その他のセラミックボルト、もしくは金属性のボルトであっても必要な性能を達成することができるのであれば利用することができる。
【００１８】
セラミックス板１５の材質は熱伝導率の大きな窒化アルミであり、内部にヒータ１６が埋設してある。したがって、ヒータ１６に電力を投入することによりセラミックス板を加熱することができる。セラミックス板を窒化アルミで構成した理由は、熱伝導率が高いため面内に温度差がつきにくく、ウエハの温度分布が悪化することを防止することができるためである。しかし、必ずしも窒化アルミである必要があるわけではなくその他の材質であってもよい。
【００１９】
セラミックス板内部のヒータ上にはウエハステージに静電チャック機能とＲＦバイアスを与える内部電極１７が埋設してある。この内部電極に直流電圧を印加すれば、内部電極とウエハ１（ウエハはプラズマに曝されておりほぼアース電位）間に電位差が発生し、内部電極とウエハ裏面間に電荷が蓄えられクーロン力によりウエハはセラミックス板に吸着固定される。また、内部電極には直流電圧のほかにウエハにバイアス電力を投入するための高周波電圧を印加する。図１の高周波電源５がこの役割を果たす。電気回路的には静電チャック用の直流電源２２をコイル２１を介して給電ライン１９に接続する。本実施例では給電ラインに相当するのは支持部材内に設けた中空のシャフト２０である。この内部電極に高周波電圧を印加すればウエハにバイアス電圧を印加することができるのでプラズマ中のイオンを効果的に引き込むことができ、エッチングレートが増加する、エッチング形状が改善されるなどの効果を期待することができる。
【００２０】
５５はセラミックス板の温度測定用のシース熱電対である。冷却ジャケットの一部に貫通穴５４を設け、この貫通穴位置に対応するセラミックス板の裏面にくぼみ５３を設ける。このくぼみの底面に先端が接触するようにシース熱電対５５を挿入する。先端の接触状態が変化すると測定する温度が変化してしまうので、本実施例では熱伝対に鞘５６をもうけ、この鞘の部分にコイルバネ５７をかませ、おさえ５８により全体を冷却ジャケットに固定している。したがって、セラミックス板の取り付けの状態が多少変化してもシース熱電対の先端とセラミックス板の接触圧力は常にほぼ一定となり再現性のよい温度測定方法を提供することができる。この温度情報に基づきヒータに供給する電力を制御する。
【００２１】
ヒータへの電力供給は冷却ジャケット１４に設けた貫通穴３９を通して行う。セラミック板の内部には、ヒータと電気的に接続したソケット４１が内蔵してあり、このソケットに外部の電源と接続している電気プラグ４２が迎合するように配置してある。本実施例ではヒータ給電部は１ヶ所のみの記載としているが、実際には反対の極性のコネクタが必要であるので、給電部は２ヶ所となる。
【００２２】
３８は、セラミックス板の外周からの熱の逃げを低減するための輻射断熱材である。表面にクロムめっきが施されている。輻射断熱材をもうけると真空チャンバの内壁へにげる輻射熱が半分以下に抑えられ、ウエハステージの面内温度分布が悪化するのを防止できる。
【００２３】
また、処理中のウエハに入射する熱を効果的にウエハステージに伝え、ウエハ温度の制御性を向上させるために、ウエハ裏面とセラミックス板間にもヘリウムガスなどの伝熱ガスを導入する必要がある。本実施例では、内部電極に高周波電圧と直流電圧を印加する支持部材に内蔵された中空のシャフトを通じて供給される。すなわちセラミックス板の中心に設けた貫通穴２９からヘリウムガスをウエハ裏面に導入する構成となっている。
【００２４】
冷却ジャケットの内部には冷媒を循環させるための溝４６が設けてある。本実施例では冷媒はクリーンルーム内に装備された冷却水を使用している。溝への冷却水の流し込みと排水はフレキシブルな配管３０を使用している。後述するように、ウエハステージ全体が上下動作するのでこれに対応するためである。また、図中には冷却水の入り口のみを記載し、戻り側は省略している。本実施例では、冷媒として水を利用したが必ずしも水に限るものではない。例えばフロリナートやガルデンといたフロン系の冷媒を使うことも可能である。しかし、水を使用した場合には冷媒を循環させる部品（本例では冷却ジャケット）との間の熱伝達率が大きいために、ギャップ間の圧力が同一の場合セラミックス板との間の熱移動量が大きく取れるメリットがある。逆にいえば、同じ熱移動量を確保するために必要な圧力が低くてすむ。この点は装置設計を行う上で、ヘリウムのシール条件が緩まるので非常に大きなメリットとなる。
【００２５】
ウエハの搬送は図示しない上下機構によるベローズ３５の伸縮動作により、ウエハステージ２を上下動作させ、固定しているプッシャピン３２によりウエハを引き剥がして行う。
【００２６】
このようにバイアス電圧を印加してウエハを処理するとウエハはプラズマからの入熱により温度が上昇する。入熱量が小さい場合には問題にならない場合もあるが、通常半導体の製造プロセスではウエハの温度管理をしっかり行わないとエッチング特性が悪化する。したがって、ウエハの温度を高温に保つためには、プラズマからの入熱がない場合にはヒータによりセラミックス板を加熱し、処理が始まりプラズマからの入熱がある場合にはヒータに投入する電力を低下させ、ウエハへ入射した熱を取り除く必要がある。そのための方法として、本実施例ではセラミックス板と冷却ジャケット間で輻射伝熱により熱交換を行う。まず、本実施例の考え方の基本となる実施例のヒートバランスについて図３に基づき説明する。
【００２７】
図３中、２８はヒータの出力、３１は冷却ジャケットへの輻射伝熱、３３はウエハステージの対向面であるベルジャへの輻射伝熱である。冷却ジャケットにウエハステージを固定するジルコニアネジを介しての熱伝導も存在するが、前述したように熱伝達率が小さく本実施例では無視できるのでここでは省略した。また、処理中のプラズマからの入熱は３４である。まず、ウエハを２００℃から５００℃といった高温に保持するためにはウエハステージを２００℃から５００℃に加熱する必要がある。この場合、定常状態では（１）式を満たす必要がある。
ヒータ出力＝冷却ジャケットへの輻射伝熱＋ベルジャへの輻射伝熱　（１）
【００２８】
一方、プラズマ処理中にウエハステージに入熱がある場合、ウエハステージの温度を一定に保つためには（２）式を満たす必要がある。
ヒータ出力＋プラズマ入熱＝
冷却ジャケットへの輻射伝熱＋ベルジャへの輻射伝熱　（２）
【００２９】
つまり、処理開始前は（１）のヒータ出力で運転し、処理開始後はプラズマ入熱の分ヒータ出力を低下させればウエハステージの温度を一定に保つことができる。逆のいい方をすれば、プラズマ入熱量は冷却ジャケットとベルジャへの輻射伝熱量以上あると、ヒータ電力を０Ｗにしてもウエハ温度が上昇してしまい制御不能であることを意味する。図４に本実施例のヒートバランスの計算結果を示す。この図から、４００℃で運転している場合には、プラズマ入熱なし時のヒータ出力は５０１Ｗであるので、許容するプラズマ入熱は５０１Ｗであることがわかる。３００℃、２００℃の場合には、輻射による伝熱量が低下するためにそれぞれ２４６Ｗ、１０１Ｗとなる。
【００３０】
したがって本実施例によれば、ウエハステージをジルコニアボルトで冷却ジャケットに固定し、輻射伝熱により冷却ジャケットおよびベルジャと熱のやり取りをするので、ウエハへの入熱が１０１Ｗ以下であれば単純な構造で２００℃から４００℃といった高温で広い温度範囲にわたり均一な温度分布を実現できるウエハステージを供給することができる。
【００３１】
次に、前述の例よりも更に制御可能なウエハへの入熱を大きく取る方法を説明する。第一の実施例では冷却ジャケットの材質はステンレス鋼であり、セラミックス板との対向面は単なる切削加工された面であった。表面の放射率は０．３であった。放射率の測定は試料を加熱して放射率を測定する直接法や、ＦＴＩＲを用いて反射スペクトルを測定し得られた分光反射率をもとに算出する間接法で測定可能である。この放射率を増加させ、冷却ジャケットへの輻射伝熱量を増加させる目的で表面を黒色塗料を塗布すればセラミックス板の輻射伝熱量を増加させることができる。図５に、輻射率を０．９とした場合のヒートバランスを示す。この図から、セラミックス板の温度が４００℃、３００℃、２００℃の場合、印加可能な電力は８１８Ｗ、４０３Ｗ、１５７Ｗに増加していることがわかる。
【００３２】
このほか、冷却ジャケットの表面に凹凸をもうけ、表面積を増加させる方法や、冷却ジャケットの材質がアルミニウムの場合には黒色アルマイト化する方法なども考えられる。しかし、重要なのは冷却ジャケットの表面の放射率を増加させることであり、そのための手段は本発明の範囲を制限しない。
【００３３】
図６には本発明の第二の実施例を示す。
本実施例では、第一の実施例よりもウエハ１への入熱の量を増加しても、ウエハ１の温度を調節することができるよう、インコネルを用いたリング状の熱伝導部材２４をセラミックス板と冷却ジャケット間に挟みこませた構造としている。冷却ジャケットには図７に示すような熱伝導部材の位置決めをするための溝２５が設けてある。図８には、前記熱伝導部材の斜視図を、図９には、その断面図を示す。
【００３４】
本実施例の熱伝導性部材は、図８，９の上下方向を高さ方向とすると、取り付ける前の状態ではスペーサ２３の高さよりも大きな高さを有している。これにより、セラミックス板１５と冷却ジャケット１４とが取り付けられた状態で、その上端がセラミックス板１５と、下端が冷却ジャケット１４とに接触する。さらに、セラミックス板１５と冷却ジャケット１４とを取り付ける或いは取外す際に、弾性を有して伸縮することのできる弾性部分を備えており、この弾性部分の伸縮による力が上下端をセラミックス板１５、冷却ジャケット１４に押し付けて接触を良好にし、熱伝導の抵抗を低く抑える。この弾性部分は、端部との熱伝導が良好となるように接続されており、特に本実施例では同一部材で一体に構成されている。
【００３５】
また、弾性部材は、弾性を発揮できるだけの厚さを有する板材が端部の伸縮方向を横切る方向に、折曲げ或いは湾曲させられて構成されている。このような構成により、冷却ジャケットの溝に配置しセラミックス板を冷却ジャケットに固定すると熱伝導部材の厚み方向の弾性により両端がセラミックス板と冷却ジャケットに再現性よく接触する。
【００３６】
本実施例では熱伝導部材の断面形状は図９のようにＷ状をしているが、このほかにもコの字型やＣ字型の断面形状も考えられるが、重要なのは高さ（厚み）方向に弾性を有するという点である。熱伝導部材の目的はセラミックス板から冷却ジャケットへの伝熱量を制御することであるので、材料の特性としては耐熱性があり、薄肉に加工しやすく、薄肉に加工した後の厚み方向の弾性が確保でき、加工後の熱伝導部材の熱抵抗が期待する伝熱量を実現すること、コストが低いことなどが考えられる。これらの条件を満たす材料として、本実施例ではインコネルを採用しているが、この他にはステンレス鋼が候補として考えられる。
【００３７】
このように弾性があると、熱伝導部材の両端の接触状態の再現性が確保され、熱抵抗は厚み方向の長さと肉厚により決定される。しかし、実際に適用する場合には実験により明らかにしておく必要がある。本実施例の熱伝導部材の計算による見積もりを行う。インコネルの熱伝導率は１２Ｗ／ｍＫ、肉厚は０．３ｍｍ、厚み方向長さは１６ｍｍ、直径は２１０ｍｍであり、熱抵抗は６．７Ｋ／Ｗとなる。実際に評価すると熱抵抗は６．４Ｋ／Ｗであり、ほぼ一致することがわかる。このことは、熱伝導部材の弾性により接触熱抵抗が無視できる程度に小さいことを示しており、肉厚、長さなどを管理すればほぼ所望の熱抵抗を実現できることになる。
【００３８】
図１０には熱コンダクタンスが０．３Ｗ／ｍＫの熱伝導部材を適用した第二の実施例のヒートバランスを示す。この図から、セラミックス板の温度が４００℃、３００℃、２００℃の場合、制御可能な入熱量はそれぞれ９２１Ｗ、４７７Ｗ、２０２Ｗに増加していることがわかる。
【００３９】
したがって本実施例によれば、セラミックス板と冷却ジャケット間に熱で伝導部材を挟みこんでいるので、第一の実施例と同様に単純な構造で２０２Ｗ以下の入熱であれば２００℃から５００℃といった高温で広い温度範囲にわたり均一な温度分布を実現できる。
【００４０】
また、本実施例の熱伝導部材の形状はリング状とし、冷却ジャケットの中心軸に対して同軸に配置した構造としていたが、これは伝熱の分布が軸対象になるように考慮したためであるが、必ずしもこの構造に限られるわけではない。例えば小さなリング状の熱伝導部材を複数個配置するようなものであってもよい。重要なのは、熱伝導部材が厚み方向に弾性を有し、熱抵抗が管理されていることである。なお、熱伝導部材を実施例のように外周付近に配置すると、反応生成物やデポ性のあるガスのまわりこみが少なくなるために、装置のクリーニング回数が減る、寿命が延びるといった効果も期待できる。
【００４１】
図１１に本実施例のウエハ処理装置を用いてウエハを保持した場合の、ウエハ面内温度分布の測定結果を示す。ウエハ温度の測定はセンサレージャパン製熱電対埋め込みウエハを用いて測定した。この図から、ウエハ平均温度が２８３℃から４１４℃まで±７℃以内とほぼ均一な温度分布を実現できていることがわかる。
【００４２】
図１２に本発明の第３の実施例の冷却ジャケットの表面を示す。本実施例では、第二の実施例の熱伝導部材を２個導入するために、溝２５の内側に溝２６を追加した構造としている。この例は、ウエハへの入熱が第二の実施例よりも更に大きい場合、熱伝導部材の伝熱能力をさらに向上させるのに有効な手段である。図１３には、熱伝導部材の肉厚、形状をみなおし、さらに熱伝導部材を２個とし、熱コンダクタンスを１Ｗ／Ｋとした場合のヒートバランスを示す。この図から、セラミックス板の温度が４００℃、３００℃、２００℃の場合、制御可能な入熱量はそれぞれ１１６８Ｗ、６５２Ｗ、３０７Ｗに増加していることがわかる。
【００４３】
以上、実施例では熱伝導部材の表面は特に処理していなかったが、表面をＮｉメッキや金メッキなど軟金属でメッキすればセラミックス板と冷却ジャケットとの接触状態の再現性が更に増す効果がある。
【００４４】
以上、本発明の実施例ではウエハステージの対向面であるベルジャを７０℃から１２０℃で温調していた場合を説明したが、必ずしも温調する必要があるわけではない。温調を実施しない場合、処理装置の構造が単純になりコストも低減する効果が期待できる。しかし、その場合、処理枚数の増加に伴いベルジャの温度も上昇していき、ベルジャへの輻射による排熱の効果が低減し、前述した制御可能なウエハバイアス電力が低下する。また、反応性生物がベルジャ内壁に付着するような条件では、デポ状態が変化するためエッチング特性が変化するなどの問題もあり、温調を実施するかしないかは実施者の判断にゆだねられるべきものである。
【００４５】
以上、本発明の実施例ではウエハを固定するための静電チャックは内部電極が単極のいわゆるモノポール方式と呼ばれるものであったが、必ずしもこれだけに限定されるべきものではない。すなわち、静電チャック用の内部電極として独立した２個の電極を有するいわゆる双極方式と呼ばれる方式であってもよい。この方式では、内部に２個の電極を必要とするので構造が複雑となる、電源が２個必要となるなどの欠点はあるものの、プラズマが無くともウエハを吸着することができ、プラズマ処理を開始する前からウエハ裏面に冷却ガスを導入することができるため温度制御性に優れるという利点がある。
【００４６】
以上、本発明の実施例の処理装置ではプラズマ源は誘導結合方式のプラズマであるが、必ずしもこの方式に限定されるべきものではない。例えば、平行平板方式のプラズマ源であってもよいし、ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式やマイクロ波方式、あるいは数１０ＭＨｚから３００ＭＨｚ程度までのＶＨＦ帯を用いたプラズマ方式でもよい。これ以外にも、たとえば磁場を用いたマグネトロン型のプラズマ処理装置などであってもよい。これの方式の内、いずれのプラズマ現を採用するかは、実際に処理すべき材料の特性にあったものを採用すべきものであり、適宜選択すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、非常に単純な構造で２００℃から５００℃といった高温までの広い範囲にわたりウエハを均一な温度分布で、処理中も温度変動を少なく保持することができる。したがって、通常のプロセスではエッチンすることができないような不揮発性材料もエッチング処理することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例のウエハ処理装置。
【図２】本発明の第一の実施例のウエハステージを示す図。
【図３】本発明の実施例のヒートバランスのモデルを示す図。
【図４】本発明の第一のヒートバランスを示す図。
【図５】本発明の第一の実施例の冷却ジャケット表面に黒色塗料を塗布した場合のヒートバランスを示す図。
【図６】本発明の第二の実施例を示す図。
【図７】本発明の第二の実施例の冷却ジャケットの斜視図。
【図８】本発明の第二の実施例の熱伝導部材を示す図。
【図９】本発明の第二の実施例の熱伝導部材の断面図。
【図１０】本発明の第二の実施例のヒートバランスを示す図。
【図１１】本発明の第二の実施例のウエハ温度分布を示す図。
【図１２】本発明の第三の実施例の冷却ジャケットの斜視図。
【図１３】本発明の第三の実施例のヒートバランスを示す図。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…ウエハステージ、３…流量制御器、４…ゲートバルブ、５…高周波電源、６…プラズマ、７…コイル、８…高周波電源、９…真空チャンバ、１０…ベルジャ、１１…エッチングガス、１２…バルブ、１３…ターボ分子ポンプ、１４…冷却ジャケット、１５…セラミックス板、１６…ヒータ、１７…内部電極、、１９…給電ライン、２０…シャフト、２１…コイル、２２…直流電源、２３…スペーサ、２４…熱伝導部材、２５…溝、２６…溝、２７…ファン、２８…ヒータ出力、２９…貫通穴、３０…フレキシブルな水配管、３１…冷却ジャケットへの輻射伝熱、３２…プッシャピン、３３…ベルジャへの輻射伝熱、３４…プラズマ入熱、３５…ベローズ、３６…ジルコニアセラミックス製ボルト、３８…輻射断熱材、３９…貫通穴、４１…ソケット、４２…電気プラグ、４６…溝、５２…シール、５３…くぼみ、５４…貫通穴、５５…シース熱電対、５６…鞘、５７…コイルバネ、５８…おさえ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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