(57)【要約】【課題】  従来の冷却システムと比べ、冷却効率を飛躍的に向上させることができるとともに、振動（不安定脈動）が生じにくい直接冷却方式のサセプタ冷却システムを提供する。【解決手段】  サセプタ２内の冷媒流路３に、気液混相の冷凍機冷媒が直接供給されるように構成し、サセプタ２が、冷凍機冷媒の蒸発器として機能するように構成し、更に、冷凍機冷媒が、ホットガスバイパス８を介して送出された冷媒ホットガス（圧縮機３によって圧縮された高温・高圧ガス）が混入されたうえで、サセプタ２の冷媒流路３に供給されるように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サセプタ内の冷媒流路に、気液混相の冷凍機冷媒が直接供給されるように構成され、
前記サセプタが、冷凍機冷媒の蒸発器として機能するように構成され、
前記冷凍機冷媒が、ホットガスバイパスを介して送出された冷媒ホットガスが混入されたうえで、前記サセプタの冷媒流路に供給されるように構成されていることを特徴とするサセプタ冷却システム。
【請求項２】
前記冷媒ホットガスを混入することにより、乾き度が０．５〜０．７となるように調節された上で、冷凍機冷媒が冷媒流路に供給されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のサセプタ冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの製造工程（プラズマによるドライエッチング、ビア開孔、クリーニング、ＣＶＤによるビア内面被覆等）、更に、液晶（ＬＣＤ）、Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＥＬ）、太陽電池などの製造工程における発生熱除去技術に関し、特に、サセプタ上に載置したウェーハ等の被処理体を均一に冷却することができるサセプタ冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェーハのエッチング処理（ドライエッチング処理、化学気相成長による皮膜形成、或いは、ウェーハ表面のプラズマクリーニング等）を行う装置において、被処理体であるウェーハを支持するサセプタは、本来の機能として、静電チャック機能と、下部電極としての機能を有している。
【０００３】
更に、サセプタは、上記のような機能のほか、冷却機能をも有していることが必要となる。エッチング処理が行われる場合、サセプタの上方に設置されたプラズマ発生源と、サセプタ上面に配置された下部電極との間にプラズマが発生し、サセプタ上に保持されたウェーハ表面にイオン等が激突することによって、ウェーハ表面は加熱されることになるが、製品の歩留まりを向上させるためには、これを適宜冷却しなければならないからである。
【０００４】
尚、サセプタにおいて要求される冷却機能は、一般的には、サセプタ内部に形成された冷媒流路と、この流路内へ冷媒を供給し、循環させるための冷媒供給装置（チラー等）とからなる冷却システムによって実現されている。
【０００５】
ところで、従来の冷却システムにおける冷媒流路は、冷媒が流下する際、細い管路内において「蛇行」や「折り返し」が繰り返されるような複雑な構造となっていることが多い。例えば、特開平７−２４５２９７号公報においては、冷媒流路（冷却液管４）が渦巻き状、リング状、波状、或いは、放射状に形成され、冷媒（冷却液）が、中心から周縁部に向かって流れるような構造の冷媒流路を有するウェーハ冷却装置が開示されている。
【０００６】
また、特開２００２−３４３８５４号公報においては、冷媒が、まず中心側の冷媒供給口１３から外周部１５に向かって直線的に流れ、その後、サセプタをほぼ一周する毎に、外周側から次第に中心側へと流れていくように構成された冷媒流路を有する装置が開示されている。
【０００７】
このように、従来のサセプタにおいて冷媒流路が複雑な構造となっているのは、サセプタ上面における温度差を解消して、ウェーハの均一な冷却を図るためである。この点についてより詳細に説明すると、ウェーハのエッチング工程においては、エッチングの線幅はウェーハの表面温度に大きく依存しており、ウェーハの表面温度が異なれば、線幅が変わってしまう。つまり、ウェーハの表面において温度差が生じていると、同じ基板上で、線幅の異なるエッチングが行なわれてしまう可能性があり、歩留まりの低下を起こす要因となる。従って、製品の歩留まりを向上させるためには、同一基板上で線幅が一定となるように、ウェーハを均一に冷却することが必要となる。
【０００８】
このため、上記特許文献において開示されているように、従来より、冷媒流路の構造を工夫することによって、サセプタ上面における温度差を解消し、ウェーハ表面を均一に冷却しようとする試みがなされている。
【０００９】
また、従来のサセプタは、殆どのものが「二段冷却方式」の冷媒供給装置を採用している。二段冷却方式の冷媒供給装置は、基本的には、二種類の冷媒（一次冷媒と二次冷媒）、蒸気圧縮型冷凍機、及び、冷凍機の構成要素である熱交換器（蒸発器）等によって構成され、一次冷媒を、冷凍機によって冷却しつつ閉鎖管路内にて循環させ、熱交換器（蒸発器）において一次冷媒と二次冷媒とを熱交換させて二次冷媒を冷却し、この二次冷媒によって対象物を冷却するようになっている。
【００１０】
つまり、従来のサセプタにおいては、二次冷媒が冷媒流路に供給され、二次冷媒によってウェーハが冷却されるようになっている。尚、二段冷却方式の冷媒供給装置において使用される二次冷媒は、通常は液状であり、フッ素系不活性液体などの液状の冷媒（例えば、スリーエム社の「フロリナート」（商品名）等）が一般的である。一方、冷凍機内の一次冷媒としては、気液混相の冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等のＨＦＣ系の冷凍機冷媒、ブタンなどの炭化水素冷凍機冷媒、二酸化炭素、或いは、アンモニア等）が、一般的に使用されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−２４５２９７号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述の通り、従来のサセプタに装備されている冷却システムは、殆どのものが二段冷却方式を採用しており、液状の冷媒が、サセプタ内の冷媒流路へ供給されるようになっているが、二段冷却方式の冷却システムにおいては、冷却対象となるウェーハが、二次冷媒を介して間接的に冷却されることになるため、必ずしも冷却効率が良いとは言えない。
【００１３】
そこで、本発明の発明者らは、サセプタの冷却システムとして、他の方式（例えば、直接冷却方式）を適用することによって、ウェーハの冷却効率を向上させることができるか否かについて研究を行った。
【００１４】
直接冷却方式は、冷凍機冷媒（二段冷却方式における一次冷媒）によって冷却対象物を直接冷却する方式である。サセプタの冷却システムにおいてこの方式を採用した場合、気液混相の冷凍機冷媒が、サセプタの冷媒流路へ直接供給されることになる。
【００１５】
この方法による場合、冷凍機冷媒を冷媒流路内にて沸騰させることによって、サセプタと冷媒との間の伝熱抵抗を小さくすることが可能となり（沸騰伝熱利用の効果）、これにより冷却効率を向上させることができる。また、二次冷媒、ポンプ、及び、熱交換器等が不用となるため、二段冷却方式の従来装置と比較して装置構成をシンプルにすることができる。
【００１６】
このように、サセプタの冷却システムとして、直接冷却方式のものを適用した場合、「冷却効率の向上」をはじめとして、様々な効果を期待することができる。しかしながら、「直接冷却方式の冷却システムを備えたサセプタ」は、未だ実用化されるには至っていない。その理由は、サセプタの冷媒流路内に導入しようとする冷凍機冷媒が、「液状」ではなく、「気液混相」であるために、様々な問題（気液混相流特有の問題）が生じ、それらが障害となっているからである。
【００１７】
この点について具体的に説明すると、従来のサセプタの冷媒流路は、前述の通り、冷媒が流下する際、細い管路内において「蛇行」や「折り返し」が繰り返されるような複雑な構造となっているが、あまりにも複雑な冷媒流路に気液混相の冷媒を導入すると、液相中に大きなガスの塊を含んだ状態で冷媒が流下するという現象（このような流動形態を「スラグ流」或いは「チャーン流」と言う。）が生じる可能性がある。冷媒がこのような状態で複雑な流路内を流下すると、気相と液相との流速の差から、液相の冷媒が流路壁に衝突することによって、振動が生じる可能性がある。
【００１８】
そして、このような振動（不安定脈動）が生じると、正確なエッチング処理に悪影響を及ぼしかねず、製品の歩留まりが低下してしまうという問題がある。
【００１９】
本発明は、これらの問題を解決すべくなされたものであって、振動（不安定脈動）が生じにくい（例えば、振動を０．０２ｍ／ｓ２以下に抑えることができる）直接冷却方式のサセプタの冷却システム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】
【００２０】
本発明の請求項１に係るサセプタ冷却システムは、サセプタ内の冷媒流路に、気液混相の冷凍機冷媒が直接供給されるように構成され、当該サセプタが、冷凍機冷媒の蒸発器として機能するように構成され、冷凍機冷媒が、ホットガスバイパスを介して送出された冷媒ホットガス（圧縮機によって圧縮された高温・高圧ガス）が混入されたうえで、サセプタの冷媒流路に供給されるように構成されていることを特徴としており、気液混相の冷凍機冷媒を冷媒流路に直接供給することによって、従来の二段冷却方式の冷却システムと比べ、被処理体を効率良く冷却することができる。
【００２１】
また、このように構成することによって、冷媒を「環状流」という流動形態で流下するような気液混相状態に調整することができ、冷媒流路に振動を生じさせるような流動形態にて冷媒が流下することを好適に回避することができる。
【００２２】
尚、冷媒ホットガスを混入することにより、乾き度が０．５〜０．７となるように調節された上で、冷凍機冷媒が冷媒流路に供給されるように構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
上述の通り、本発明による場合、従来の二段冷却方式に代えて、直接冷却方式を採用し、気液混相の冷凍機冷媒をサセプタの冷媒流路内に直接供給し、被処理体を直接冷却することができるので、従来方式による場合と比べ、冷却効率を飛躍的に向上させることができる。
【００２４】
また、気液混相状態の冷媒をサセプタ内の冷媒流路に導入した場合、冷媒が、スラグ流やチャーン流といった流動形態で流下するという現象が生じ、これにより、製品の歩留まりを低下させてしまうような振動が生じてしまう可能性があるが、本発明においては、冷媒流路への導入前において、気液混相冷媒に、冷媒ホットガスを所要量混入させることにより、そのような振動の発生を好適に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明「サセプタ冷却システム」を実施するための最良の形態について説明する。
【００２６】
図１は、半導体ウェーハのエッチング装置に適用した本発明「サセプタ冷却システム１」の第１の実施形態の概略図である。このサセプタ冷却システム１は、基本的には、サセプタ２と、このサセプタ２内に形成された冷媒流路３と、この冷媒流路３に冷媒を供給する冷媒供給装置４とによって構成されている。尚、本発明のサセプタ冷却システム１は、直接冷却方式を採用しており、冷凍機冷媒（Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等のＨＦＣ系の冷凍機冷媒、ブタンなどの炭化水素冷凍機冷媒、二酸化炭素、或いは、アンモニアなど）が、冷媒供給装置４から冷媒流路３へ直接供給されるようになっている。
【００２７】
サセプタ２の冷媒流路３は、冷媒供給管９、及び、冷媒排出管１０を介して冷媒供給装置４と接続されており、冷媒供給装置４から供給される冷媒は、冷媒供給管９を通って冷媒流路３内に流入し、冷媒流路３内を流下しながら、沸騰伝熱（蒸発熱伝達）によってウェーハ１１の熱を吸収（冷却）し、その後、冷媒流路３から排出されて、冷媒排出管１０を通って再び冷媒供給装置４へと戻り、循環するようになっている。
【００２８】
冷媒供給装置４は、冷凍サイクルを成す基本的要素である圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７、及び、ホットガスバイパス８によって構成されている。尚、冷凍サイクルを構成するには、これらの要素のほかに蒸発器が必要となるが、このサセプタ冷却システム１においては、蒸発器は冷媒供給装置４内には設けられておらず、サセプタ２が蒸発器として機能するようになっている。
【００２９】
この点について、より詳細に説明すると、サセプタ２内に導入された冷媒は、冷媒流路３内を流下していく際、ウェーハ１１表面の入熱が、伝熱面（サセプタ２の天井面、及び、サセプタ２の床面等）から冷媒に伝わっていくことになるが、このとき、気液混相状態の冷媒のうち、液相の冷媒は、伝熱量に応じて沸騰、蒸発することになり、ウェーハ１１から伝導された熱を潜熱として吸収することになる。そして、当初は気液混相状態にて冷媒流路３内に導入された冷媒は、冷媒流路３内を流下する間に液相冷媒がすべて蒸発し、最終的には、気相状態にて冷媒排出口から排出される。
【００３０】
このように、冷媒流路３内においては、冷凍サイクルの蒸発過程である「液相冷媒の蒸発」が行われる。つまり、本発明のサセプタ冷却システム１においては、サセプタ２は、蒸発器として機能することになる。従って、沸騰伝熱を利用してサセプタ２乃至はウェーハ１１を直接冷却することができるので、二段冷却方式による従来のサセプタ冷却システムと比べ、冷却効率を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
また、冷媒供給装置４から供給される際、冷媒は、膨張弁７を通過することによって、減圧処理（絞り膨張）され、乾き度が０．２〜０．３程度の気液混相状態となる。尚、ここに言う「乾き度」とは、重量基準の気相流量分率（気相冷媒の流量／冷媒全体の流量）を意味する。
【００３２】
乾き度が０．２〜０．３程度の気液混相状態の冷媒をそのまま冷媒流路３内に導入すると、冷媒が、スラグ流或いはチャーン流という流動形態にて流下する現象が生じやすく（特に、冷媒全体の流量が大きいほど、このような現象が生じる可能性が大きくなる。）、このような現象が生じると、気相冷媒と液相冷媒の流速の差から、振動（不安定脈動）が生じ、精密さが要求されるエッチング処理に悪影響を及ぼしかねない。
【００３３】
そこで、本実施形態においては、膨張弁７通過後の冷媒（乾き度０．２〜０．３程度の気液混相状態）に、冷媒ホットガス（圧縮機５によって圧縮された高温・高圧ガス）が混入されるようになっており、これにより、冷媒を、環状流という流動形態で流下するような気液混相状態に調整することができるようになっている。
【００３４】
この点について具体的に説明すると、本実施形態のサセプタ冷却システム１においては、図１に示されているように、膨張弁７の下流側にホットガスバイパス８が接続されており、このホットガスバイパス８を介して送出された冷媒ホットガスが、膨張弁７通過後の冷媒に混入されるようになっている。気液混相状態の冷媒に冷媒ホットガスが混入されると、混入された分だけ気相冷媒の流量が増加するほか、冷媒ホットガスの熱エネルギーを受けて液相冷媒の気化が促されることによって、気相冷媒の流量が増大する。
【００３５】
尚、気相冷媒の増加量は、冷媒ホットガスの混入量に比例し、本実施形態においては、混入後における乾き度が０．５〜０．７となるように、冷媒ホットガスの混入量が調節される。そして、発明者らが行った各種の実験により、乾き度が０．５〜０．７の気液混相状態の冷媒を冷媒流路３内に導入した場合、流動形態は環状流或いは準環状流（環状流と波状流の中間）となり、スラグ流やチャーン流という流動形態によって冷媒が流下する現象を好適に回避できる、ということが判っている。
【００３６】
このように、本実施形態のサセプタ冷却システム１においては、膨張弁７を通過することによって乾き度が０．２〜０．３程度の気液混相状態となった冷媒に、冷媒ホットガスを所要量混入して気相流量分率を増大させ、乾き度が０．５〜０．７となるように調節されたうえで、冷媒が冷媒流路３内に導入されるようになっており、その結果、冷媒の流動形態を環状流或いは準環状流とし、振動を生じさせるような、好ましくない流動形態にて冷媒が流下することを好適に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明「サセプタ冷却システム１」の第１の実施形態の概略図。
【符号の説明】
【００３８】
１：サセプタ冷却システム、
２：サセプタ、
３：冷媒流路、
４：冷媒供給装置、
５：圧縮機、
６：凝縮器、
７：膨張弁、
８：ホットガスバイパス、
９：冷媒供給管、
１０：冷媒排出管、
１１：ウェーハ、
１２：エッチング装置の処理室、
【図１】
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