(57)【要約】【課題】バイアス用電極の交換時間を短縮して、プロセス全体の稼働率を向上させ、しかも、ランニングコスト及び設備コストを節減することができる冷却・加熱温調システムを提供する。【解決手段】サセプタ４を、サセプタ上部４ａとサセプタ下部４ｂとに分割できるように構成し、バイアス用電極３をサセプタ上部４ａに設置し、冷媒流路１２をサセプタ下部４ｂ内に形成した。これにより、サセプタ上部４ａには、専ら温度の均一性を持たせることができる。また、バイアス用電極３を交換する場合には、サセプタ上部４ａのみを取り外せば良く、冷媒流路１２を取り外すことなく、交換作業を行うことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サセプタを、サセプタ上部とサセプタ下部とに分割できるように構成し、
バイアス用電極を前記サセプタ上部に設置し、
冷媒流路を前記サセプタ下部内に形成したことを特徴とする冷却・加熱温調システム。
【請求項２】
前記サセプタ下部に設置された冷媒流路に、一次冷媒配管を接続して、一次冷媒を直接供給するように構成したことを特徴とする、請求項１に記載の冷却・加熱温調システム。
【請求項３】
冷却対象物とサセプタ上部との間、及び、サセプタ上部とサセプタ下部との間に、ヘリウムガスの層が形成されるように構成したことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の冷却・加熱温調システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ、液晶（ＬＣＤ）、Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｓｅ（ＥＬ）や太陽電池など（以下、本明細書において、これらを「半導体製品等」と言う。）の製造工程において、処理基板（半導体ウェーハ、液晶用のガラス基板、ＥＬ用の基板、太陽電池の基板等）の冷却・加熱温調の工程に用いられる冷却・加熱温調システムに関し、特に、処理基板のサセプタ（支持台）を、プラズマ発生用下部電極（バイアス用電極）を備えた上部と、冷媒流路を備えた下部とに分割できるように構成することにより、サセプタ内の冷媒流路を冷媒循環回路から切り離すことなく、バイアス用電極を交換できるように構成し、これによって、交換作業の所要時間を短縮するとともに、二次冷媒循環回路を省略し、一次冷媒のみによってサセプタを冷却・加熱することができる冷却・加熱温調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体製品等の製造工程において対象物（負荷）を冷却する必要がある場合には、冷却・加熱温調システムが用いられている。冷却・加熱温調システムには、「二段冷却法」によるものと、「一段冷却法」によるものとがある。
【０００３】
二段冷却法の温調システムにおいては、冷却源である冷凍機と、冷却対象物との間に、複数の冷媒（冷凍機冷媒とブライン）が存在している。これらのうち、冷凍機冷媒は、冷凍機の仕事（冷凍サイクルの蒸発行程）によって、負荷の冷却を一次的に媒介するものであるので、「一次冷媒」と呼ばれ、ブラインは、冷凍機冷媒によって冷却され、負荷の冷却を二次的（即ち、一次冷媒による負荷の冷却を間接的）に媒介するものであるので、「二次冷媒」と呼ばれる。
【０００４】
一方、一段冷却法による温調システムは、二次冷媒を用いず、一次冷媒のみによって負荷を直接温調するようになっている。
【０００５】
ところで、例えば半導体ウェーハのプラズマエッチング（ドライエッチング）工程においては、プラズマ照射によって帯熱したウェーハを適宜冷却する必要がある。従って、半導体ウェーハのドライエッチング装置は、図２（従来の一般的なドライエッチング装置２１の構成例を示す図）に示すように、通常、ウェーハを冷却するための温調システムを有している。
【０００６】
ここで、図２に示したドライエッチング装置２１の概略構成、及び、温調システムの作用について簡単に説明する。このドライエッチング装置２１は、温調システムの主たる構成要素となる冷却・加熱温調装置２５のほか、プラズマ発生用上部電極２２、バイアス用電極２３、及び、サセプタ２４等によって構成されている。
【０００７】
サセプタ２４は、サセプタ上部２４ａ、及び、サセプタ下部２４ｂとによって構成されており、これらのうち、サセプタ上部２４ａは、その上面にバイアス用電極２３を備え、内部には、冷媒流路３２が形成されている。
【０００８】
尚、図２においてＷは半導体ウェーハであり、サセプタ上部２４ａ（バイアス用電極２３）と、この半導体ウェーハＷとの間には、ヘリウムガスの層（ガス層Ｇ）が形成される。
【０００９】
冷却・加熱温調装置２５は、冷凍機２６、一次冷媒配管２７（入口配管２７ａ、出口配管２７ｂ）、熱交換器２８、ポンプ２９、加熱用電熱ヒータ３０、及び、二次冷媒配管３１（入口配管３１ａ、出口配管３１ｂ）とによって構成されている。
【００１０】
二次冷媒は、ポンプ２９から送り出されて、熱交換器２８、加熱用電熱ヒータ３０、二次冷媒の入口配管３１ａ、冷媒流路３２、二次冷媒の出口配管３１ｂを経て、再びポンプ２９へと戻るようになっており、閉鎖管路（二次冷媒循環回路３３）内を循環するようになっている。
【００１１】
より具体的には、二次冷媒は、熱交換器２８を通過する際、一次冷媒によって熱交換される。そして、加熱用電熱ヒータ３０によって供給温度に温調された後、二次冷媒の入口配管３１ａを経て、サセプタ上部２４ａに備えられた冷媒流路３２へ供給され、半導体ウェーハＷの除熱を行なう。サセプタ上部２４ａより熱を奪った二次冷媒は、二次冷媒の出口配管３１ｂを経て、再び、熱交換器２８へと送られ、一次冷媒により除熱される。
【００１２】
一次冷媒は、一次冷媒循環回路３４内を循環するようになっており、熱交換器２８において二次冷媒から熱を奪い、冷凍機２６の仕事（冷凍サイクル）によって二次冷媒から奪った熱を冷凍機外部に放出する。
【００１３】
このように、図２に示したドライエッチング装置２１の温調システムは、二次冷媒を用いて負荷を間接的に温調する「二段冷却法」によるものである。そして、図２に例示されたドライエッチング装置２１のほか、現在では、半導体製品等の製造工程に適用される殆どの温調システムにおいて、二段冷却法が採用されている。
【００１４】
尚、以上に説明したようなドライエッチング装置２１の温調システムにおいて、「一次冷媒で負荷を直接温調する冷却法」（以下、この冷却法を「単純なる一段冷却法」と言う。）を採用した場合には、ドライエッチング装置２１より、冷媒回路３２を除いた二次冷媒循環回路３３を構成する設備（即ち、熱交換器２８ポンプ２９、加熱用電熱ヒータ３０、二次冷媒配管３１ａおよび３１ｂ）を排除でき、装置を簡素化できるという利点が生じると認められるが、当該温調システムにおいて、この「単純なる一段冷却法」は採用され得ない。
【００１５】
なぜなら、サセプタ上部２４ａに設置されたバイアス用電極２３は、ドライエッチング工程においてプラズマ照射が繰り返されるうちに劣化し、定期的な交換が必要となるところ、「単純なる一段冷却法」を採用した場合には、電極交換の都度、一次冷媒の回収、一次冷媒配管乾燥・脱気のための真空引き、及び、一次冷媒の最充填などの作業が必要となり、二段冷却法の温調システムと比べ、交換作業がより煩雑なものとなってしまい、結局のところ、二段冷却法と何ら変わらないものとなってしまうからである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、現在では、半導体製品等の製造工程で適用される温調システムとしては、二段冷却法のものが主流となっているが、図２に示したような二段冷却法の温調システムには、次のような問題がある。
【００１７】
図２に示した二段冷却法の冷却・加熱温調システムにおいては、バイアス用電極２３の定期交換の際、まず、二次冷媒を回収する必要がある。図２に示されているように、バイアス用電極２３は、サセプタ上部２４ａに取り付けられているため、これを交換する際には、エッチング装置２１から、サセプタ上部２４ａごと取り外さなければならないが、このサセプタ上部２４ａの内部には、冷媒流路３２が形成されており、この冷媒流路３２は、二次冷媒配管３１と接続されており、それらの内部には二次冷媒が循環している。つまり、内部の二次冷媒を回収しない限り、サセプタ上部２４ａをエッチング装置２１から取り外すことができないからである。
【００１８】
そして、二次冷媒の回収作業は、温調装置２５が稼働している状態からは即時に行うことができず、下述のステップを余分に実行する必要があり、無駄な時間がかかってしまう。具体的には、まず、温調装置２５を稼働させた状態で（停止せずに）、二次冷媒の供給温度設定を「プロセス温度」から「室温付近」に変更する。二次冷媒の供給温度が室温付近に到達したら、温調装置２５を停止させ、二次冷媒を回収する。
【００１９】
このように、まず、二次冷媒の供給温度設定を「室温付近」に変更するのは、二次冷媒循環回路３３内において結露が生じることを防止するためである。例えば、半導体製品等やその他の工業製品を効率よく製造するために設定されるプロセス温度がマイナス１０℃である場合に、二次冷媒の供給温度を変更することなく、冷却・加熱温調装置２５を停止させ、二次冷媒の回収後、二次冷媒の入口配管３１ａ等を冷媒流路３２から切り離すと、暴露される空気により、二次冷媒の入口配管３１ａ等の内面に結露が生じる可能性がある。
【００２０】
二次冷媒中に水分が混在すると、使用中に化学的変化や物理的変化が生じ、連続安定運転に支障を来すので、二次冷媒の再充填の際に、管路内に結露水が残留していることは好ましくない。このようなことから、二次冷媒を回収する際には、結露を防止するために、予め二次冷媒循環回路３３の温度を室温付近に慣らしておくためのステップが必要になるのである。
【００２１】
このように、図２に示した二段冷却法による冷却・加熱温調システムにおいては、バイアス用電極２３を交換する際、二次冷媒の回収作業が必要となるほか、二次冷媒の回収作業には、結露を防止するためのステップが必要となり、結果的に、バイアス用電極２３の交換作業が完了するまでには、非常に長い時間がかかってしまうという問題がある。
【００２２】
また、二次冷媒の回収作業は、二次冷媒循環回路３３内に二次冷媒が残留しないよう、確実に、慎重に行わなければならない。仮に、二次冷媒が残留していると、サセプタ上部２４ａを取り外した際に、二次冷媒が外部に漏出してしまう可能性があるからである。漏れ出した二次冷媒は揮発性が高い場合もあるので、二次冷媒を構成する物質の一つであるフッ素などによって作業環境は勿論のこと、地球環境を汚染する可能性もある。
【００２３】
更に、二次冷媒の回収作業を行った場合には、新しいバイアス用電極２３を備えたサセプタ上部２４ａを装着した後、必然的に、二次冷媒を再充填する作業が必要となるが、この再充填作業の際、二次冷媒循環管路３３内にガスが混入してしまうことがあり、このような場合には、入り込んだガスを完全に除去するため、二次冷媒を一定時間循環させて、ガス抜きを行う必要がある。
【００２４】
二次冷媒循環回路３３内のガス抜きが不十分な場合、ガスポケットが生じてしまうが、このようなガスポケットは、サセプタ上部２４ａに内装された冷媒流路３２の最も高い位置において、層として形成される確率が最も高い。このようなガスの層が形成されてしまうと、伝熱抵抗が大きくなってしまうため、所定の伝熱能力を得られなくなってしまうほか、被冷却物であるウエーハに温度分布を生じさせるという事態も生じ得る。
【００２５】
また、製造原価を下げるため、半導体ウェーハの大口径化が進んできており、それに伴なう除熱量の増強が要求されているが、二段冷却法の温調システムにおいて、そのような除熱量増強の要求を満たすには、サセプタに供給する二次冷媒量の増加、これに伴なうポンプの大型化、更に、二次冷媒を冷却・加熱するための冷凍機及びヒータの大型化が必要となる。その結果、設備コスト及びランニングコストが増大してしまうという問題がある。
【００２６】
このようなことから、半導体ウェーハのエッチング装置においては、バイアス用電極の交換時間を短縮して、プロセス全体の稼働率を向上させ、しかも、ランニングコスト及び設備コストを節減することができる冷却・加熱温調システムの開発が望まれている。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷却・加熱温調システムは、上記のような従来技術の課題を解決すべく、サセプタを、サセプタ上部とサセプタ下部とに分割できるように構成し、バイアス用電極をサセプタ上部に設置し、冷媒流路をサセプタ下部内に形成したことを特徴としている。このように構成した場合、サセプタ上部には、専ら温度の均一性を持たせることができる。また、バイアス用電極を交換する場合には、サセプタ上部のみを取り外せば良く、冷媒流路を取り外すことなく、交換作業を行うことができる。従って、冷媒の回収作業も不要となり、また、冷媒循環回路内へのガスの混入も生じないため、ガス抜きのための作業等も不要となる。
【００２８】
尚、サセプタ下部に設置された冷媒流路には、冷凍機に接続された一次冷媒配管を直接接続して、一次冷媒（ＨＦＣ等の冷凍機冷媒）を直接供給するように構成することが好ましい。このように構成した場合、従来の温調システムのように、二次冷媒循環回路を配置する必要がなく、これを省略することができ、サセプタ下部内に形成された冷媒流路に、供給温度に温調された一次冷媒を直接供給することによって、冷却対象物である半導体ウェーハと、冷媒（一次冷媒）間の伝熱抵抗を、二段冷却法による従来の温調システムの比べ、低減することができる。
【００２９】
また、冷却対象物とサセプタ上部との間、及び、サセプタ上部とサセプタ下部との間に、熱伝導率の良いガス、例えばヘリウムガスの層が形成されるように構成することにより、冷却対象物と一次冷媒との間の伝熱抵抗が低減されるように構成することが更に好ましい。
【００３０】
そして、冷却対象物と冷媒間の伝熱抵抗を小さくすることにより、供給する一次冷媒の設定温度を高くすることができる。冷凍機は、設定温度（即ち、蒸発温度）を高くするほど所要動力が低減するため、温調システムのランニングコストの低減化を実現することができる。
【００３１】
また、一次冷媒の熱の伝達方法は蒸発時の相変化における沸騰伝熱であり、二次冷媒の熱の伝達方法は相変化を伴なわない液相伝熱であるため、一次冷媒の熱伝達係数は二次冷媒の熱伝達係数の２倍以上となり、一段冷却法による温調システムと、二段冷却法による温調システムとで、冷媒の供給温度の設定を同一の温度とした場合、一段冷却法による温調システムにおいては、除熱に必要な伝熱面積を、二段冷却法による温調システムよりも小さくすることができる。従って、サセプタのサイズを小型化することが可能となり、設備コストの低減に寄与する。
【００３２】
更に、本発明においては、二次冷媒循環回路を必要とせず、これを省略した構成となっているため、設備コスト及びランニングコストを低減でき、装置サイズの小型化も同時に行なうことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本発明に係る冷却・加熱温調システムを適用した半導体ウェーハのドライエッチング装置１の構成図である。このエッチング装置１も、基本的には従来のものと同様に、温調システムの主たる構成要素となる冷却・加熱温調装置５のほか、プラズマ発生用上部電極２、バイアス用電極３、及び、サセプタ４等によって構成されている。
【００３４】
また、サセプタ４は、サセプタ上部４ａ、及び、サセプタ下部４ｂとによって構成され、サセプタ上部４ａの上面には、バイアス用電極３が配置されている。但し、冷媒流路１２は、従来のものとは異なり、サセプタ上部４ａ内ではなく、サセプタ下部４ｂ内に形成されている。
【００３５】
また、冷却・加熱温調装置５は、冷凍機６、及び、一次冷媒配管７（入口配管７ａ、出口配管７ｂ）とによって構成され、図２に示したような二段冷却法ではなく、一次冷媒のみによって負荷を直接温調する「一段冷却法」の温調システムを構成するものである。
【００３６】
尚、図１においてＷは半導体ウェーハであり、サセプタ上部４ａ（バイアス用電極３）と、この半導体ウェーハＷとの間には、ヘリウムガスが導入されることによって、ヘリウムガスの層（ガス層Ｇ１）が形成され、更に、サセプタ上部４ａとサセプタ下部４ｂとの間にも、ヘリウムガスの層（ガス層Ｇ２）が形成されるようになっている。
【００３７】
このドライエッチング装置１においては、冷凍機６にてプロセス温度に調整された一次冷媒が、一次冷媒の入口配管７ａを経て、サセプタ下部４ｂに備えられた冷媒流路１２へ供給され、半導体ウェーハＷの除熱が行なわれる。
【００３８】
サセプタ下部４ｂにおいて熱を奪った一次冷媒は、一次冷媒の出口配管７ｂを経て、冷凍機６において供給温度に調整されたのち、一次冷媒の入口配管７ａを経て、再び冷媒流路１２へ供給される。
【００３９】
ここで、このドライエッチング装置１におけるバイアス用電極３の交換作業の手順について説明する。まず、一次冷媒の供給温度の設定を室温（結露しない温度）に変更する。供給温度がこの室温付近に到達したら、バイアス用電極３を備えたサセプタ上部４ａのみをエッチング装置１から取り外す。
【００４０】
サセプタ上部４ａを取り外したら、新しいサセプタ上部４ａを設置し、サセプタ上部４ａとサセプタ下部４ｂの間にヘリウムガス層Ｇ２を形成し、一次冷媒の供給温度設定を「プロセス温度」に変更する（交換作業完了）。ちなみに、一段冷却法で必要とする全作業時間は約１５分で、二段冷却法で必要とする全作業時間は最短でも約３０分なので、一段冷却法は二段冷却法の半分以下の作業時間で済む。
【００４１】
このように、交換するサセプタ上部４ａを取り外す前に、まず一次冷媒の供給温度の設定を変更するのは、サセプタ下部４ｂの表面における結露の発生を回避して、電熱抵抗の悪化を防止するためである。より詳細には、サセプタ上部４ａのみを取り外すと、サセプタ４ｂの表面が露出することになるが、このとき、冷媒流路１２に供給されている一次冷媒が低温のままであると、露出したサセプタ下部４ｂの表面に結露が発生する可能性がある。この結露を除去せずに、新しいサセプタ上部４ａを設置してしまうと、サセプタ上部４ａとサセプタ下部４ｂの間に形成されるヘリウムガス層Ｇ２において、プラズマ照射による発熱によって結露水がガス化し、プロセス初期段階において伝熱抵抗を悪化させてしまう可能性がある。ガス化した水分は、ヘリウムガスと一緒にパージされるので、最終的には取り除くことができるが、プロセス初期段階における安全性を図るためには、設定温度を変更することによって結露の発生を回避することが望ましい。
【００４２】
上記の通り、本発明の冷却・加熱温調システムは、一段冷却法によって構成され、二次冷媒循環回路を有しない構造となっており、また、冷媒流路１２が、バイアス用電極３を備えたサセプタ上部４ａの内部ではなく、サセプタ下部４ｂ内に形成され、バイアス用電極３の交換に際して、冷媒流路１２を冷媒配管７から切り離す必要がないため、冷却・加熱温調装置５を停止させることなく、極めて簡潔にバイアス用電極３の交換作業を行なうことができる。
【００４３】
以下に、本発明の実施例を説明する。本発明に係る冷却・加熱温調システムを適用した図１のドライエッチング装置１において、直径３００ｍｍの半導体ウェーハ上に４５００Ｗの熱負荷を生じさせ、これを温調システムによって冷却し、各部位（冷媒、サセプタ上部、電極、及び、ウェーハ）における温度を計測した。その結果を図３に示す。尚、図３のグラフには、本発明に係る一段冷却法の温調システムの温度計測値のほか、従来の二段冷却法の温調システムの温度計測値も、比較例として示した。
【００４４】
このグラフに示されているように、従来の二段冷却法の温調システムにおいては、二次冷媒の供給温度を−１０℃に設定した。その結果、半導体ウェーハの表面温度は６７．２℃となった。
【００４５】
そこで、本発明に係る一段冷却法の温調システムにおいて、半導体ウェーハの表面温度が６７．２℃となるように、一次冷媒の供給温度を調整した。その結果、一次冷媒の供給温度を−１．４℃に設定した場合に、半導体ウェーハの表面温度が６７．２℃となった。この試験結果から、本発明の一段冷却法の温調システムにおいては、従来の二段冷却法の温調システムの場合と比較して、冷媒の供給温度を８．６℃高く設定することができることがわかった。
【００４６】
このように、一段冷却法による温調システムにおいて、二段冷却法の温調システムよりも、冷媒の供給温度を高く設定できるのは、二段冷却法が、冷凍機冷媒（一次冷媒）によってブライン（二次冷媒）を冷却し、冷却されたブラインの液相伝熱によってサセプタを冷却しているのに対し、一段冷却法では、冷凍機冷媒（一次冷媒）の沸騰伝熱によってサセプタを直接冷却しているので、一段冷却法の伝熱抵抗が、二段冷却法の伝熱抵抗よりも半分以下に小さくなるためである。
【００４７】
本発明の温調システムにおいてインバータ冷凍機を用いた場合において、一次冷媒の供給温度を−１０℃（比較例と同一条件）に設定した場合、除去すべき発熱量が４５００Ｗであるならば、冷凍機メーカの性能表によると、消費電力は７．０７Ａであった。また、−１．４℃に設定した場合には、５．６３Ａであった。従って、本発明の温調システムによる場合、１．４４Ａの消費エネルギー削減となる。
【００４８】
また、二段冷却法による温調システムでは、冷凍機及び冷凍機冷媒で二次冷媒であるブラインを冷却し、冷却されたブラインによりサセプタを冷却・加熱温調している。そして、場合によっては、加熱用電熱ヒータによってブラインを加熱温調している。一方、本発明のように、一段冷却法による場合には、冷凍機冷媒によって直接サセプタを冷却・加熱温調するため、二次冷媒、二次冷媒循環用ポンプ、加熱温調用電熱ヒータが不要となり、この分の初期設備費、年間維持費、ランニングコストを軽減することができる。
【００４９】
尚、本実施例において、本発明に係る温調システムを２０００時間以上使用してみたが、サセプタ下部は何ら支障を来さなかったことから、十分な耐久性を有していることが確認された。
【００５０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、サセプタの構造を見直すことにより、バイアス用電極の交換作業の所要時間を短縮し、かつ、サセプタには一次冷媒である冷凍機冷媒を直接供給することにより、省エネルギーで設置面積の小さい一段冷却・加熱温調システムを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却・加熱温調システムを適用した半導体ウェーハのエッチング装置１の構成図。
【図２】二段冷却法の冷却・加熱温調システムを適用した、従来の一般的なエッチング装置２１の構成図。
【図３】本発明に係る冷却・加熱温調システムについて行った温度計測の結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１，２１：ドライエッチング装置、
２，２２：プラズマ発生用上部電極、
３，２３：バイアス用電極、
４，２４：サセプタ、
４ａ，２４ａ：サセプタ上部、
４ｂ，２４ｂ：サセプタ下部、
５，２５：冷却・加熱温調装置、
６，２６：冷凍機、
７，２７：一次冷媒配管、
７ａ，２７ａ：入口配管、
７ｂ，２７ｂ：出口配管、
２８：熱交換器、
２９：ポンプ、
３０：加熱用電熱ヒータ、
３１：二次冷媒配管、
３１ａ：入口配管、
３１ｂ：出口配管、
１２，３２：冷媒流路、
３３：二次冷媒循環回路、
３４：一次冷媒循環回路、
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２：ガス層、
Ｗ：半導体ウェーハ
【図１】
2004335500.tif 000003
【図２】
2004335500.tif 000004
【図３】
2004335500.tif 000005