JPS60102742A - 処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は基板温度制御装置に関する。

〔発明の背景〕

現在、半導体装置’Ｊｌ　ｔｆｉにおいて、成膜手段と
して蒸着あるいはスパッタリングを行う際、粒径。

反射率、比抵抗及び硬度が適切である良好な膜質を得る
ためには、基板のベーキング中、及び、成膜中の基板温
度を効果的に制御する必要がある。

特に粒径９反射率は、基板温度の影響が大きい。

また、上記膜上に露光現像によりレジスト・ぐターンを
形成し、ドライエツチングによゆ上記膜をレジスト・母
ターン通りに食刻する際にも基板温度の制御が必要であ
る。これは、基板温度を制御□□することで、レジスト
が耐熱性に乏しいことから生じるレジストの熱的損傷を
防ぎ、忠実な・母ターンを食刻することが可能になるか
らである。

しかしながら、真空中で基板の温度制御をすることは難
しい。温度制御された基板支持台と同じ温度に基板の温
度をするための制御をしても、真空中では基板と支持台
との熱的接触が十分ではないからである。

そこで、従来から基板と基板支持台との２内間の熱的接
触を大きくするために、基板を支持台に機械的に押えつ
けるか、あるいは５静電的な力により基板を支持台に吸
着させるかなどの方法が考案されている。しかしこのよ
うな方法によっても十分な効果は生じていない。すなわ
ち、固体２而間の熱的接触は、２内間に介在する気体分
子によるところが大きく、純粋な固体間での熱のやりと
りは、上記の押えつけ圧力程度では気体分子による熱の
やりとりに比べて無視できる程度に小さいからである。

そこで、気体分子を基板と支持台との間に介在させるこ
とにより、熱的接触を大きくしようとする装置が考案さ
れ特開昭５６−１０３４４２に開示されている。

−Ｃ１ この装置の基板温度制御部を第１図に示すＯ基板３が、
数個のクリップ４によりスペーサ９を介して支持台５に
接近させて支持されている。

支持台５上には、冷却もしくは加熱機構をそなえた温度
制御装置６が設けられている。処理室１は排気口２より
排気される。同時に、気体導入ロアよりアルゴンが導入
され、このガスは温度制御装置６と基板３の間を流れ８
のように処理室１内に入る。この時、基板３と温度制御
装置６との空間１０内の圧力は、１０〜１００Ｐａにな
るように制御され、処理室１内の圧力は、ＩＰａ程度に
なるよう排気される。

従って、基板３は、１００Ｐａ程度の圧力を持つ介在ガ
スの熱伝導に助けられ温度制御装置６により温度制御さ
れる。

しかしながら、この種の装置においても、基板３の温度
制御は十分でない。たとえば直径Ｌｏｏｍ。

厚さ０．４５＋ｇのシリコン基板を温度制御する場合、
時定数は加秒程度もあり、印加電力５００Ｗのドライエ
ツチングを行った場合温度制御装置との温度６　頁 差は１３０℃にもなりレジストが熱的損傷を受ける。

従って、５００Ｗ程度以上の電力を印加することはでき
ない。また、この種の装置にはもう一つの問題がある。

すなわち、熱伝導用ガスをもれさせることにより処理が
スとしても用いる機構になっているため熱伝導用ガス以
外の処理ガスを、別の流路で導入したい場合にも熱伝導
用がスのもれをなくすことができないという問題である
。

上記問題を解決すべく本発明者は鋭意工夫を重ねたとこ
ろ次の知見を得た。

まず、基板と支持台との温度差を小さくし、基板温度制
御の応答速度を速くするためには′、基板と支持台との
間を単位時間、単位温度差当りに流れる熱！（以下単位
熱流量と言う。）を大きくする必要がある。単位熱流量
を大きくするには、圧力を上げ、同時に、２面間の距離
をその圧力下でのその気体の平均自由行程以下にする必
要がある。

処理中の基板温度は次の式に従って経時変化する。

（１）　Ｔｗ（１−ｅｘｐ（−ｋｔ／Ｃ））Ｑｉ／に＋
Ｔ。

７（１ ここで、Ｔ、は基板温度、Ｃは基板の熱容量、ｋは単位
熱流量、Ｑｉは処理時に単位時間当り基板に与えられる
一定熱量、Ｔｏは支持台の温度５ｔは時間であり、１＝
０においてＴｗ　＝　Ｔｏとしている。

また、支持台の温度が定常値Ｔ。にあり、基板の初基温
度Ｔｗｏ　”；；　Ｔｏ　の時は次の式に従う。

％式％ 以上、いずれの場合も、基板温度制御の応答速度は５基
板の熱容量Ｃと、２而間の単位熱流量ｋにのみ依存する
。Ｃの値は基板固有の値で、たとえば、直径１００ｍｍ
、厚さ０．４５　ｍｍのシリコン基板では約６．２Ｊ−
に’　である。従って、基板と支持台の温度差を小さく
し、基板温度制御の応答速度を速くするには、単位熱流
量を大きくする必要がある。

ところで、２而間に窒素を介在させ、その圧力を変えた
時、単位熱流量がどう変化するかを示す実測値を第２図
に示す。基板はシリコンで表面は薄い酸化シリコンでお
おい、支持材としては研摩特開口ＵＧＯ−１０２７４２
（３） したアルミニウムを用いた。表面は十分に洗浄して２面
間には直径１００ｍｍ当りＩ　Ｋｒの荷重をかけた。

曲線が、原点を通る直線に近く、この条件下では純粋に
固体間だけの熱伝達は無視できることが証明される。す
なわち、固体２而間に力学的な接触があっても、熱的な
接触の大部分は２面間に介在する気体によるものである
。また、介在気体の圧力を従来装置における値１００Ｐ
ａより大きくすると単位熱流量が増すことがわかる。

以上の実測値は、以下の理論式に従うものである。すな
わち、２而間を単位時間当りに通過する熱量ｒｄＱ／ｄ
ｔｊは次の式に従う。

％式％） ） ここで、ｋｌ＋に２は定数、Ｔｗ、Ｔｏはそれぞれ基板
、基板支持台の温度、ｅは２面間の距離５ｐは介在気体
の圧力、λはその圧力下での平均自由行程である。この
式は、圧力が低く平均自由行程が十分長い条件下では、
ｒｄＱ／ｄｔＪはｐに比例し、９頁 圧力が高く平均自由行程が十分短くなるとｒｄＱ／ｄ　
ｔＪはｅに比例することを示している。

従って、２面間に介在する気体の圧力を上げ、かつ、２
面間の距離をその圧力下での平均自由行程程度以下にす
る機構を設けることによって、単位熱流量は大きくでき
る。

ところで、従来の装置においては、ｐは１００Ｐａ程度
であるからＡｒの平均自由行程λは約（資）μｍである
。したがって、間隔は（支）μｍ程度まで小さくするこ
とが望ましいのだが、この装置によっては不可能である
。すなわち、基板３は１００Ｐａの圧力差により第１図
１１のごとく中央部がふくらむからである。例えば、直
径１００＋ｎ＋＋＋厚さ０．４５ｍのシリコンウェハに
おいては、１００Ｐａの圧力差により中央部のふくらみ
量は１５０μｍに達している。したがって、すでに、平
均自由行程である関μｍをこえていて、さらに圧力を上
げても単位熱流量を増すことはできない。

〔発明の目的〕

本発明は、半導体装置製造時の食刻、成膜、べ１０　’
ｉｉ −キング処理において、処理中の基板温度を効果的に制
御できる制御装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、自らの温度を自在に制御できる基板の支持台
と、該支持台に載置される基板を該支持台に保持するだ
めの保持手段と、該支持台に基板を載置したときに該支
持台と基板とで形成される空間に気体を導入するための
気体導入手段とを有する基板温度制御装置において、該
支持台と基板との距離を、導入した気体の圧力下におけ
る該気体の平均自由行程以下にする機構を設けたことを
特徴とする。

支持台と基板との距離を導入した気体の圧力下における
該気体の平均自由行程以下にする機構としては、たとえ
ば次のようにして達成される。

支持台の、基板に対向する而を、基板の変位量に合わせ
て凸面としておく。あるいは、支持台又は支持台表面を
軟質の有機材料で構成する。

以上の構成とすることにより、半導体装置製造１１頁 時の食刻処理等において、処理中の基板温度を効果的に
制御できる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、実施例の骨子を第３図に基づいて説明する。

本実施例では、基板１９の支持台１７と、基板】９を保
持するための保持手段乙と、基板１９と支持台１７とで
形成される空間側に気体を導入するための気体導入手段
５２を有する基板温度制呻装置において、支持台１７と
基板１９との距離を５導入した気体の圧力下におけるそ
の気体の平均自由行程以下にする機構を設けている。

これにより、半導体装置製造時の食刻処理等において、
処理中の基板温度を効果的に割仰しうる。

実施例１ 第１実施例を第３図に基づいて説明する。

本実施例に係る装置は、基本的には、処理室１２、表面
が研磨された凸面である下部電極１７及び上部電極１６
から構成される平行平板型のドライエッチ特開昭ＧＯ−
１０２７４２（４） ング装置である。本実施例においては下部電極１７が支
持台となる。

処理室１２は、排気口１３を介して真空排気系（図示せ
ず）に接続されている。処理室１２にはガス導入口冴を
介して反応がスが導入される。また、処理室１２には適
宜の位置に基板加を出し入れする。ための取入取出口１
４が設けられている。

上部電極１６と下部電極１７との間には高周波電源５が
接続烙れている。

下部電極１７には、液体熱媒体が流れる流路４８、ポン
ｆ４２、液体熱媒体の温度制御装置４３が設けられてい
る。また、オリフィス２１、バルブ１５ヲ介して熱伝達
用ガスのガスだめがか設けられている。

ガスだめかには、流量調節バルブ４５を介してガスポン
ベ４４が、また流量調節バルブ４６を介してロータリー
ポンプ４７が接続されている。

基板の保持手段乙はセラミックなどの絶縁材で作成され
ていて、バネ３９を介してボールネジ４０及びモータ４
１に接続ちれている。

基板１９と下部電極１７との間にはＯリング１８が設置
３．−頁 けられていて、０リング１８は、基板１９と下部電極と
で形成される空間側を処理室１２から封止している。′ 以上の装置において、下部電極１７は、適切な一定温度
に保たれた液体熱媒体が循壊避れることにより、一定温
度に保たれる。液体熱媒体としては、２０　’Ｃに保た
れた水を用いるが、目的に応じ、温度制御された水以外
の流体を用いても良い。また、下部電極１７は、′醒気
抵抗を用いて温度制御しても良い。

基板１９は、モータ４１とボールネジ４０とによって昇
降する基板保持手段乙によって下部電極１７に押えつけ
られる。この符、バネ３９は、基板１９を常に一定の加
重で押える役目、すなわち機械的接触を生じさせる機構
をなす。

また、ガスだめかは、流量調節バルブ４５，４６、がス
ゴンペ４４及びロータリーポンプ４７により常に一定の
圧力に保たれ、熱伝達用気体で満たされている。空間側
には、ガスだめ局からオリフィス２１を介して熱伝達用
ガスが導入される。すなわち、１４、頁 気体導入手段はガスだめ２６と気体導入口となるオリフ
ィス２１とからなっている。

次に、本実施例における処理中の基板温度制御がどのよ
うに行なわれているか、熱伝達用ガスとしてヘリウムを
用い、基板が直径１００ｑ厚さ０．４５朋のシリコン基
板の時を例にして説明する。

基板１９が載置された後、従来例より１桁大きい７００
Ｐａ程度の圧力のガスだめ部からヘリウムガスが導入さ
れる。７００Ｐａの圧力を待つガスが導入された時、基
板１９は中央が、約８００μｍ凸状にふくらむ。また、
基板中心から半径方向にｒの距離にある点の変化量Ｗは
、次の式に従う。

ここでｋ　Ｅ　ｌνはそれぞれシリコンのヤング率及び
ポアソン比、ｈ、ａはそれぞれ基板１９の厚さ及び半径
、ｐはガスの圧力である。

そこで、下部電極１７の凸面を予め上記の式に従う形の
曲面、あるいは、それ以上ふくらんだ曲面に加工してお
く。この時、基板１９は基板支持具ｎにより押えられて
いるため凸面に沿って変形し応力を持つ。

この時、ガス圧によって基板１９が受ける力は、基板１
９が持っている応力と等しいかまたは小さいため、基板
１９はガス圧によりすでに待っているひずみ以上のひず
みを生じることがなく下部電極１７に沿って機械的に接
触したままである。また、下部電極１７の表面は、表面
粗さ６−８　以下に研磨されている。そのため、２面間
の距離は全面にわたって７００Ｐａにおけるヘリウムの
平均自由行程間μｍより十分小さく保たれる。

ここで、純粋に固体間の熱的接触は無視できることを考
えると、熱的接触は全面にわたって均一である。従って
、十分な熱的接触が実現し、単位熱流量を十分大きくで
きる。

また、本実施例においては、空間加に熱伝導用ガスを導
入するため導入手段として、オリフィス２１を設けてい
る。このオリフィス２１は、ヘリウムに対するコンダク
タンスが約Ｉ　Ｘ　１０−’　ｍ３／ｓｅｅ　ニするよ
うに、直径を約４０μｍにしである。

基板１７が載置されていない場合に、ガスだめ２６から
このオリアイスを通して圧力差７００Ｐａの処理室１２
に流出するガス量は、７　Ｘ　１０　’Ｐａ・ｍ３／ｓ
ｅｃ程度である。これは、反応ガス導入口Ｍから導入さ
れる反応ガス導入量８Ｘ１０−２Ｐａ−ｍ３／ｓｅｃ　
に対し十分小さい。したがって、空間加と処理室１２と
の封正に洩れが発生しても、処理に対し悪影響を及ぼす
ことがないため、本実施例による温度制御機構の信頼性
が向上することになる。また、このオリフィスをつける
ことで、０リング１８による封止をなくすことも可能で
あり、同時に、基板１９の搬入。

搬出を処理室１２の真空を破壊しないで行う場合でもパ
ルプ１５が不必要になる。

ここで、基板１９が載置された後、空間加がガスだめか
と同じ圧力になるまでに要する時間が十分短い必要があ
る。空間加の体積をＶ、オリフィスのコンダクタンスを
Ｃ，ガスだめ２６内の圧力をＰ。

とじた時５空間加の圧力ｐは次の式に従う。

％式％）） ここで５空間頷け、大きくても厚さ１００μｍの円筒で
あるため、ｖ　＝　７．ｓ　ｘｔｏ−７ｍ３であるから
ｐの応答の時定数は約１　ｓｅｃとなり、十分早い応答
となる。

以上の装置構成において、２００Ｗ〜５００Ｗの高周波
電力を印加した時にプラズマから受ける熱量によって昇
温する基板１９の昇温曲線を第４図に示す。ここで、応
答速度の時定数は約３　ｓｅｃとなり十分良好なｔｆｆ
ｉ！１　両特性を示す。また、下部電極１７との温度差
もそれぞれ８℃、２０℃におさえられている０ また、レジストの耐熱温度が約１２０°Ｃであるから、
この装置では、付加高周波電力を２．５ＫＷまで大きく
することが可能ということになる。

実施例２ 次に第２の実施例を、第５゛図を用いて説明する。

第１の実施例と異なる部分についてのみ説明を行う。

第２の実施例は、特告昭５７−４４７４７号公報に開示
された静電気力による吸引を利用して基板１９の支持を
行っている点、及び、熱伝導用ガスに、液−−１８−頁 体向体だめ２７内の液体あるいは固体３７の蒸気を利用
している点に特徴がある。

静電気による吸引力を利用した装置は、絶縁された２つ
の電極３３．３６間に直流電源間から直流電圧が付加で
きる機構を有する。この静電気による吸引力のために、
基板１９は全面にわたって約１０ｆｆｆｉ−２の力で吸
引され、全面にわたって絶縁材間との間に機械的な接触
が生じる。この時、基板１９と下部電極２９上の絶縁材
Ｉとの間にできた空間加と処理室１２とを封止するため
のＯリング１８が設けられていること、及び、空間加へ
の気体の導入手段としてオリフィス２１が設けられてい
ることは第１の実施例と同じである。本実施例では絶縁
付加が支持台となる。

ここで、熱伝達用ガスを発生する気体あるいは固体の蒸
気圧が、温度制御された下部電極四と等温の時、７００
Ｐａ程度の圧になるよう気体あるいは固体を選ぶ。

本実施例においては、１．１．２．２−テトラクロルエ
タンを用いているため、常温で７００Ｐａ程度にな１９
、頁 る。ここで、使用する液体・固体は１．１．２．２−テ
トラクロルエタンに限らず他の蒸気圧を待った液体固体
であっても艮い。

この符の平均自由行程は３μｍとなるので、絶縁物刃の
表面は０．８Ｓ以下に研磨しておく必要がある。また、
絶縁材３０に軟質の有機化合物を用い、基板Ｊ９の下面
の形状に沿って柔軟に変形きせることによっても、２而
間を平均自由行程より小さくできる。

この時、機械的には接触している２面間には、気化した
ガスが介在し、２而間の距離はこの時のガスの平均自由
行程である３μｍよりも十分小さくなる。その結果、２
面間の熱的接触は十分大きくなり、単位熱流量も大きく
なる。

また、空間側内をｌ　ｓｅｃ程度で７００Ｐａにするた
めに、オリフィス２１の１．１．２．　２−テトラクロ
ルエタンに対するコンダクタンスが１×１０−６ｍ３／
／８ｅｃになるよう直径９０μｍにしである。

以上の装置における基板１９の昇温曲線を第６図に示す
。３００Ｗの高周波電力を付加してドライエツチングを
行った場合の例である。時定数は５　ｓｅｃとなり十分
な値となっている。またこの装置においては熱伝導用ガ
スのガス流ガス圧の制御をする必要がなく、構造が簡単
になるという利点がある。

また、基板１９と支持台との距離を小さくするだめの装
置として特開昭５６−１３１９３０号公報に開示きれた
、ウェハ温度コントロール装置を用いても同様の効果が
期待できる。

また、支持台もしくは支持台表面を軟質の有機化合物で
構成することは、２面間の距離を小さくする上で大きな
効果がある。

以上の２つの実施例はいずれも本発明をドライエツチン
グ装置に適用した例であるが、スノクツタリング、蒸着
などの成膜装置あるいは、基板のベーキング装置に適用
しても同等の効果が期待でき、その他の基板温度制御を
必要とする真空装置にも適用できることは容易に類推で
きる。

以上の実施例によれば、基板と支持台間に介在するガス
圧を十分上げた上で、２面間の距離を、そのガス圧での
ガスの平均自由行程より小さくで２１　−１−一百 きるので、２面間の単位時間、単位面積、単位温度差当
りの熱流量を、従来の５０ＷＫ　ｍ　から２５０Ｗ、に
−’　ｍ−２に向上することができる。その結果、処理
時の基板と支持台との温度差と、基板温度制御の時定数
を、それぞれ、従来の値の５分の１程度に小さくするこ
とができる。

なお当然のことではあるが本発明範囲は以上の実施例に
限定されるものではない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体装置の食刻、成膜、ベーキング
処理等において、処理中の基板温度を効果的に制御しう
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の基板温度制御装置の縦断面図、第２図は
２面間を流れる熱量と介在気体圧力の関係を示したグラ
フ、第３図は第１の実施例の縦断面図、第４図は第１の
実施例による基板の昇温曲線を示したグラフ、第５図は
第２の実施例の縦断面図、第６図は第２の実施例による
基板の昇温曲線を示したグラフである。 ２２　頁 ｌ・・・処理室、３・・・基板、４・・・クリップ、５
・・・支持台５６・・・温度制御装置、７・・・気体導
入口、８・・・流れ、９・・・スペーサ、１０・・・空
間、１２・・・処理室、１７・・・支持台（下部電極）
、１８・・・Ｏｌ）ング、１９・・・基板、加・・・空
間、２１・・・気体導入口（オリフィス）、乙・・・保
持手段、２６・・・ガスだめ、ｎ・・・液体固体だめ。 代理人　弁理士　秋　本　正　実 第１図 第２図 ５００　１０００

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　自らの温度を自在に制御できる基板支持台と、該
   支持台に載置される基板を該支持台に保持するための保
   持手段と、該支持台に基板を載置したときに該支持台と
   基板とで形成きれる空間に気体を導入するための気体導
   入手段とを有する基板温度制御装置において５該支持台
   と基板との距離を、導入した気体の圧力下における該気
   体の平均自由行程以下にする機構を設けたことを特徴と
   する基板温度制御装置。 ２、支持台と基板とで形成される空間を、基板温度制御
   装置の処理室から封止する機構を有する特許請求の範囲
   第１項記載の基板温度制御装置。 ３、封止する機構が、支持台と基板との間に設けられる
   Ｑ　ＩＪソングある特許請求の範囲第２項記載の基板温
   度制御装置。 ４、　支持台表面を凸面とし、該凸面と基板間に機械的
   接触を生じさせる機構を設けた特許請求の範囲 ５、　凸面が、基板が導入した気体から受ける圧力によ
   り生じる変形と同形状である特許請求の範囲第４項記載
   の基板温度制御装置。 ６、支持台又は支持台表面が軟質の有機材料で構成され
   ている特許請求の範囲第１項記載の基板温度制御装置。 ７、十分短時間に導入側と等圧まで、支持台と基板とで
   形成される空間に気体を導入しうるコンダクタンス値で
   あり、かつ、基板が載置されていない場合に処理室に流
   出する気体の流出量が処理室の圧力に影響を及ぼさない
   コンダクタンス値をもつオリフィスが気体導入手段の気
   体導入口となっている特許請求の範囲第１項記載の基板
   温度制御装置。 ８、空間に導入する気体が、液体または固体の気化ガス
   である特許請求の範囲第１項記載の基板温度制御装置。 ９、空間に導入する気体が、処理室内の気体と同じ気体
   である特許請求の範囲第１項記載の基板３了τ 温度制御装置。 １０、保持手段が、静電気力を利用した手段である特許
   請求の範囲第１項記載の基板温度制御装置。