JP2011084770A - 静電チャックを備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法 - Google Patents

静電チャックを備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】２００〜５００℃の温度範囲で、高速かつ高精度に基板温度を制御可能な基板温度制御を提供する。
【解決手段】本発明の基板ホルダを用いた基板温度制御方法は、
（１）基板のプロセス開始前に、静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）基板１０のプロセス開始時に、静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
（３）基板１０のプロセス中に、第２の設定温度まで加熱された基板１０を第１の設定温度まで降温させる第３の行程と、
（４）基板１０のプロセス終了まで、基板１０を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置の真空容器内で静電チャックを備えた基板ホルダーにより基板を保持し、基板温度の制御を行う基板温度制御方法に関する。
スパッタリング装置やエッチング装置等のプラズマ処理装置の真空容器内には、基板（ウエハ）を保持する基板ホルダ（基板支持装置）が設けられており、一般に基板温度が制御されている。
例えば、加熱器または冷却器を内蔵したベース部材と、その上部に伝熱用シートを介してウエハを吸着保持する静電チャックと、を備えた基板支持装置が提案されている（特許文献１参照）。ベース部材には、伝熱用ガスを導入するガス導入路が設けられ、その上面部には、このガス導入路と連通されて伝熱用ガスを停滞させるガス停滞用溝が形成されている。ガス停滞用溝に伝熱用ガスが供給されると、ベース部材と静電チャックとの間の非接触部分に伝熱用ガスによる熱結合が発生する（特許文献１参照）。
また、ヒータ機能と静電チャック機能を有する基板ホルダを備え、弾性を有する熱伝導部材を介して、基板ホルダ上のウエハへの入熱を水冷ジャケットに伝達するウエハ処理処置が提案されている（特許文献２および３参照）。
さらに、基板ホルダに加熱機構および冷却機構を備えたエッチング装置が提案されている（特許文献４参照）。このエッチング装置では、エッチング開始前に基板温度がプロセス温度になるように予め基板ホルダを加熱し、エッチング開始時またはその後に動作を停止してプラズマによる加熱に切り替え、プラズマによる加熱と冷却との双方により熱平衡温度がプロセス温度になるよう制御している。
そして、静電吸着力発生可能な載置台の内側にヒータを内蔵し、載置台の裏面に下部冷却ジャケットと熱伝導性シート部材を押し付けた状態で、高周波電圧を給電可能なプラズマ処理装置が提案されている（特許文献５参照）。
特開２００１−１１０８８３号公報 特開２００４−０８８０６３号公報 特開２００４−０８７８６９号公報 特開平１０−３０３１８５号公報 特開２０００−２９９２８８号公報
ところで、特許文献１の技術では、ベース部材と静電チャック間と、静電チャックとウエハ間とが連通しており、供給源（供給系）を共通にする伝熱ガスが導入されている。したがって、伝熱ガスを独立に制御することができず、ウエハの温度は温度制御条件に基づいて一義的に決まる。例えば、２００〜５００℃の高温下でウエハ温度を制御する場合は、プラズマによる入熱エネルギーの変化や、ベース部材の加熱器または冷却器による加熱または排熱により、総括エネルギーの制御が困難でウエハの温度が安定しない。したがって、この温度範囲で使用する場合は、伝熱ガスを使用していない。
さらに、ベース部材と静電チャック間及び静電チャックとウエハ間のガス停滞用溝については、冷却ガスの圧力が１〜３０Ｔｏｒｒであることしか規定されていない。したがって、プロセス条件の変更によるプラズマ入熱エネルギーの変化に対して、伝熱ガスの圧力調整により熱伝達率を制御するのは困難であり、ウエハ温度の制御性に劣る。
特許文献２の技術では、設定温度に制御するため、基板ホルダと冷却ジャケット間の熱伝導部材として、０．３〜１Ｗ／Ｋの熱コンダクタンスを有する部材を用いている。例えば、冷却ジャケット温度が５０℃で、基板ホルダの温度が２００〜５００℃の場合において、３０７Ｗ〜１１６８Ｗの入熱量を制御可能であることが開示されている。この制御方法によれば、定常状態では上記入熱量を制御可能であるが、プラズマ等による入熱が過渡的に生じる環境では、熱伝達部材の熱コンダクタンスが０．３〜１Ｗ／Ｋと小さいため、基板が一時的に設定温度の２倍近くまで上昇してしまう。さらには、設定温度に定常的に制御するまでに１０秒以上の時間を要する。
また、この温度制御方法では、プロセス処理過程で基板温度が変動し、所望のプロセス性能が得られないという問題がある。この温度制御性能は、冷却ジャケットを介して基板ホルダへの入熱を排熱する能力である、基板ホルダと冷却ジャケットの熱コンダクタンスで規定される。したがって、熱伝導部材の熱コンダクタンス０．３〜１Ｗ／Ｋが排熱能力を律速するので、入熱が定常な状態では、設定温度の制御応答性が良い。しかし、入熱が過渡的な環境では、熱コンダクタンスが小さいため制御応答性が悪く、プロセス処理開始時の入熱の過渡的状態では基板温度が変動する。
したがって、基板ホルダがプラズマ等の入熱のない状態、またプラズマ等からの入熱が過渡的に生じる状態、入熱が定常的に生じている状態のいずれにおいても、基板温度を設定温度・１０℃に１０秒以内に制御し、水冷ジャケットの循環水温度を１００℃以下で使用するためには、基板ホルダから水冷ジャケット間の熱コンダクタンスを可変する機能を有する必要がある。
特許文献３の技術は、２００℃以下のプロセス温度において用いられており、２００〜５００℃の温度条件での基板温度の制御を想定していない。これに対し、特許文献４および５の技術では、２００〜５００℃の設定温度に制御され、熱交換用の循環媒体を介して熱交換を行うことができる機構を有する基板ホルダが用いられている。この種の基板ホルダは、循環用媒体が油性であるためメンテナンス時に漏洩や付着等による汚染が生じ易く、クリーンルームでの取り扱いに不都合が生じていた。この冷却媒体（循環媒体）は発火性を有する特性のものが多く、クリーンルームの安全上のリスクを伴った使用がなされている。
本発明は、上記事情に鑑み、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を発火性のない冷却媒体にもたせながらも、２００〜５００℃の温度範囲で高速かつ高精度に基板温度を制御可能な基板温度制御方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。
即ち、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と
（２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
（３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第３の行程と、
（４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力で一定になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
（３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させ、前記基板が第１の設定温度になった時点で、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より低い第２の圧力まで下げる第３の行程と、
（４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
（３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
（４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第２の加熱パワーより高い第１の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
（５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
（３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より高い第２の圧力になるように調整しながら、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
（４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第２の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより高い第３の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
（５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力から第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
（３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第３の行程と、
（４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力で一定になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
（３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させ、前記基板が第１の設定温度になった時点で、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より低い第２の圧力まで下げる第３の行程と、
（４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
（３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
（４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第２の加熱パワーより高い第１の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
（５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
また、ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
（１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
（２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
（３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より高い第２の圧力になるように調整しながら、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程
（４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第２の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより高い第３の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
（５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力から第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法である。
本発明によれば、熱伝達能可変手段を備え、この熱伝達能可変手段は伝熱ガスの圧力調整を行うことにより熱伝達率を制御可能である。したがって、２００〜５００℃の温度範囲で、高速かつ高精度に基板温度を制御可能である。
また、熱伝達能可変手段はガス封止による熱伝達能力が可変であるので、冷却媒体を略２００℃以下で使用可能である。したがって、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を発火性のない冷却媒体にもたせることができる。
本発明に係わる基板温度制御方法の第１の制御方法を示す図である。 本発明に係わる基板温度制御方法の第２の制御方法を示す図である。 本発明に係わる基板温度制御方法の第３の制御方法を示す図である。 本発明に係わる基板温度制御方法の第４の制御方法を示す図である。 本発明に係る基板温度制御方法に使用する基板ホルダの第１の例を示す模式図である。 本発明に係る基板温度制御方法に使用する第１の例から第４の例の基板ホルダの温度変化を従来の温度変化との関係において示す説明図である。 基板温度制御方法に使用する第２の例の基板ホルダを示す模式図である。 基板温度制御方法に使用する第２の例における熱伝達能可変手段の横断面構造を示す断面図である。 本発明に係る基板温度制御方法に使用する基板ホルダの第３の例を示す模式図である。 第４の例の基板ホルダを示す模式図である。
以下、図１を参照して、本発明の基板温度制御方法の第１の実施形態について説明する前に、本発明の基板温度制御方法に使用する基板ホルダーの第１の例を説明する。
図５は、本発明の基板温度制御方法に使用する基板ホルダの第１の例を示す模式図である。図６は、本例の基板ホルダの温度変化を従来の温度変化との関係において示す説明図である。
図５に示すように、第１の例の基板ホルダ１は、スパッタリング装置に代表されるプラズマ処理装置の真空容器（図示せず）内に設けられる。この基板ホルダ１は、ホルダ本体１Ａの基板保持側（上部）に配された静電チャック３上に静電吸着により基板１０を保持する。
ホルダ本体１Ａは、例えば、基板１０として半導体ウエハを支持する円板状もしくは円柱状の支持部材である。ホルダ本体１Ａの内部には、循環媒体（冷却媒体）１０１を流すための循環媒体流通経路１００が区画形成されている。この循環媒体流通経路１００には、循環媒体１０１を循環供給する循環媒体供給手段２が接続され、循環媒体循環経路１００内へ循環媒体１０１を循環させることにより、ホルダ本体１Ａに熱交換機能及び排熱機能をもたせている。本例では、循環媒体供給手段２として温度制御センサ２Ａ付きの循環チラーを採用しており、循環チラー２は略２００℃以下の温度（具体的には、１００〜２５０℃の温度）に制御可能となっている。循環媒体１０１としては、例えば、フッ素系媒体もしくはエチレングリコールを混合した冷却水や純水を用いることができる。
静電チャック３は静電吸着電極を内蔵し、基板１０を静電吸着して保持する。静電チャック３には、基板１０を加熱するための加熱手段４が内蔵されている。本例では、加熱手段４として、例えば、２００〜５００℃に昇温可能な温度制御センサ４Ａ付きのヒータを採用している。
ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間には伝熱ガス（封止ガス）１０３が封止され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系１１０に接続された熱伝達能可変手段６が形成されている。ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に区画された熱伝達能可変手段６の周囲には、リング状の断熱部材７が配置されている。断熱部材７としては、例えば、アルミナやステンレス等の熱伝達率が２５Ｗ／ｍ2・Ｋ以下の材料が挙げられるが、ジルコニアや石英等の熱伝達率１０Ｗ／ｍ2・Ｋ未満の材料で形成することがより好ましい。この断熱部材７は、ホルダ本体１Ａと静電チャック３を断熱し、ガス封止圧の調整による熱伝達率の制御を可能にする。
熱伝達能可変手段６は、ガス圧力の調整により熱伝達率が可変となるように、使用するガスの平均自由行程をもとに、クヌーセン数（Ｋｕ＝λ／Ｌ λ（ｍ）：分子の平均自由行程Ｌ（ｍ）：代表長さ）が１より大きな値が得られる隙間寸法とする。クヌーセン数を１より十分に大きい値とするのは、この場合に分子間衝突を無視することができ、流体を連続体として取り扱うことができるからである。
伝熱ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。基板設定温度４５０℃で、Ａｒ、Ｈｅを用いる場合は、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間を０．１５〜０．５ｍｍに設定し、封止圧を１００Ｐａ、１０００Ｐａとすることで、下記表１のように熱伝達率が可変となる。プラズマ１１等による入熱１２がない場合等、ホルダ本体１Ａの循環媒体１０１による排熱エネルギーを小さくしたい場合には、封止圧を０Ｐａとして熱伝達率を最小にする。
Figure 2011084770
また、静電チャック３と基板１０との隙間にも伝熱ガス（基板裏面ガス）１０２が封止され、伝熱ガス供給系１２０に接続されたガス封止手段８が形成される。ガス封止手段８は、基板１０の裏面をガス封止すると共に、基板１０と静電チャック３との熱伝達を行う。伝熱ガスとしては、上記と同様に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。
本例では、熱伝達能可変手段６に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１１０と、ガス封止手段８に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１２０は別系統に形成され、それぞれ別個に圧力制御が可能となっている。例えば、熱伝達能可変手段６にＡｒを封止し、ガス封止手段８にＨｅを封止するなど、双方の伝熱ガス供給系に異なる伝熱ガスを使用してもよいし、同一の伝熱ガスを使用しても構わない。
このような構成により、基板１０への入熱エネルギーは、ガス封止手段８、静電チャック３及び熱伝達能可変手段６を通してホルダ本体１Ａに伝わる。ホルダ本体１Ａ内では、循環媒体１０１へ入熱エネルギーを伝熱し、循環チラー２を通して排熱する。
このように、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力制御により、熱伝達率を可変できる。したがって、静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間の部材の変更や機構的な調整を行うことなく、循環媒体１０１を略２００℃以下とし、静電チャック３を２００〜５００℃の範囲において温度制御が可能である。
第１の例の基板ホルダによれば、図６に示すように２００〜５００℃の温度設定において、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力調整による熱伝達率の制御のみで、高速（１０秒以内）かつ高精度（・１０℃以内）に基板温度の制御を実現できる。その際、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を油性ではなく、発火性のない循環媒体１０１を用いることができ、静電チャック３からホルダ本体１Ａまで部材の変更や、機構的な調整等を行う必要はない。
また、熱伝達能可変手段６となる静電チャック３とホルダ本体１Ａとの隙間は、静電チャック３とホルダ本体１Ａの各材質の熱特性差による反りなどの熱変形が生じた場合でも、変形を吸収しガス伝達により安定した熱伝達率を確保できる。
さらに本例では、熱伝達能可変手段６の周囲は断熱部材７のみで封止されているので、使用温度条件により静電チャック３を取り替える場合やメンテナンスで交換する場合も、インジウム等の熱伝達材料を使用する場合に比べて、作業が容易に行える。
（１）第１の基板温度制御方法
次に、上記第１の例の基板ホルダーを用いて基板温度制御方法について説明する。図１は、図５記載の基板ホルダーを用いた第１の基板温度制御方法を示す図である。
＜プロセス開始前＞
基板１０のプロセス開始前は、、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間へ伝熱ガス１０２，１０３の供給を供給せずに、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（３０％のパワー）に調整しながら、加熱手段（ヒータ）４のみにより静電チャック上の基板１０を第１の設定温度（約４００度）まで昇温させる（第１の行程）。
＜プロセス開始後＞
基板のプロセス開始時には、加熱手段（ヒータ）４による基板１０の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（約４００度）より高い第２の設定温度（約４０５度）まで昇温させる（第２の行程）。
次に、基板のプロセス中には、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガス１０２，１０３を供給し、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（約１０００Ｐａ）に維持し、第２の設定温度（約４０５度）まで加熱された基板を第１の設定温度（約４００度）まで降温させる（第３の行程）。
基板１０のプロセス終了まで、伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力が第１の圧力（約１０００Ｐａ）で一定になるように、熱伝達能可変手段６を調整すると共に、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（３０％のパワー）より高い第２の加熱パワー（５０％のパワー）に調整しながら、基板を第１の設定温度（約４００度）に維持する（第４の行程）。
上記第１の基板温度制御方法によれば、基板３の温度制御が比較的単純にでき、また、エネルギーの無駄が比較的少なくできる。
（２）第２の基板温度制御方法
次に、上記第２の例の基板ホルダーを用いて基板温度制御方法について説明する。図２は、図５記載の基板ホルダーを用いた第２の基板温度制御方法を示す図である。
＜プロセス開始前＞
基板１０のプロセス開始前には、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間へ伝熱ガス１０２，１０３の供給を供給せずに、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（約３０％のパワー）に調整しながら、加熱手段（ヒータ）４のみにより静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（約４００度）まで昇温させる（第１の行程）。
＜プロセス開始後＞
基板のプロセス開始時には、加熱手段（ヒータ）４による基板１０の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（約４００度）より高い第２の設定温度（約４０５度）まで昇温させる（第２の行程）。
基板のプロセス中には、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガス１０２，１０３を供給し、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（１０００Ｐａ）に維持し、第２の設定温度（約４０５度）まで加熱された基板３を第１の設定温度（４００度）まで降温させ、基板１０が第１の設定温度（４００度）になった時点で、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（１０００Ｐａ）より低い第２の圧力（６００Ｐａ）まで下げる（第３の行程）。
基板のプロセス終了まで、伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力が第２の圧力（６００Ｐａ）になるように、熱伝達能可変手段６を調整すると共に、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（３０％のパワー）より高い第２の加熱パワー（４０％から５０％のパワー）に調整しながら、基板１０を第１の設定温度（約４００度）に維持する（第４の行程）。
上記第２の基板温度制御方法によれば、エネルギーの無駄が比較的少なくできる。
（３）第３の基板温度制御方法
次に、上記第３の例の基板ホルダーを用いて基板温度制御方法について説明する。図３は、図５記載の基板ホルダーを用いた第３の基板温度制御方法を示す図である。
＜プロセス開始前＞
基板１０のプロセス開始前には、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（約５０％のパワー）に調整しながら、加熱手段（ヒータ）４のみにより静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（４００度）まで昇温させる（第１の行程）。
基板１０が第１の設定温度（４００度）になった時点で、基板１０のプロセスの開始まで、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガス１０２，１０３を供給し、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（１０００Ｐａ）に維持すると共に加熱手段（ヒータ）４の加熱パワーを第１の加熱パワー（約５０％のパワー）に調整しながら、基板１０を第１の設定温度（４００度）に維持する（第２の行程）。
＜プロセス開始後＞
基板１０のプロセス開始時には、加熱手段（ヒータ）４の加熱パワーを第１の加熱パワー（約５０％のパワー）より低い第２の加熱パワー（約１０％のパワー）まで下げると共に、プラズマからの入熱により、静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（４００度）より高い第２の設定温度（４０５度）まで昇温させる（第３の行程）。
基板１０のプロセス中には、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガス１０２，１０３を供給し、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（１０００Ｐａ）に維持すると共に加熱手段（ヒータ）４の加熱パワーを第２の加熱パワー（約１０％のパワー）より高い第１の加熱パワー（約５０％のパワー）まで上げて、第２の設定温度（４０５度）まで加熱された基板を第１の設定温度（４００度）まで降温させる（第４の行程）。
基板１０のプロセス終了まで、伝熱ガス１０２、１０３の封止圧力が第１の圧力（１０００Ｐａ）になるように、熱伝達能可変手段６を調整すると共に、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（約５０％のパワー）に調整しながら、基板１０を第１の設定温度（４００度）に維持する（第５の行程）。
上記第３の基板温度制御方法によれば、基板の温度制御が単純にでき、エネルギーの無駄が比較でき少なくでき、静電チャックの温度の追従性が良くなる。
（４）第４の基板温度制御方法
次に、上記第４の例の基板ホルダーを用いて基板温度制御方法について説明する。図４は、図５記載の基板ホルダーを用いた第４の基板温度制御方法を示す図である。
＜プロセス開始前＞
基板１０のプロセス開始前には、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（４０％のパワー）に調整しながら、加熱手段（ヒータ）４のみにより静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（４００度）まで昇温させる（第１の行程）。
基板１０が第１の設定温度（４００度）になった時点で、基板１０のプロセスの開始まで、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガス１０２，１０３を供給し、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（６００Ｐａ）に維持すると共に加熱手段（ヒータ）４の加熱パワーを調整しながら、基板１０を第１の設定温度（４００度）に維持する（第２の行程）。
＜プロセス開始後＞
基板１０のプロセス開始時には、加熱手段（ヒータ）４の加熱パワーを第１の加熱パワー（４０％のパワー）より低い第２の加熱パワー（２０％のパワー）まで下げると共に熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第１の圧力（６００Ｐａ）より高い第２の圧力（１０００Ｐａ）になるように調整しながら、プラズマからの入熱により、静電チャック３上の基板１０を第１の設定温度（４００度）より高い第２の設定温度（４０５度）まで昇温させる（第３の行程）。
基板１０のプロセス中には、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に伝熱ガス１０３を供給し、熱伝達能可変手段６により伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力を第２の圧力（１０００Ｐａ）に維持すると共に加熱手段（ヒータ）４の加熱パワーを第１の加熱パワー（４０％のパワー）より高い第３の加熱パワー（５０％のパワー）まで上げて、第２の設定温度（４０５度）まで加熱された基板１０を第１の設定温度（４００度）まで降温させる（第４の行程）。
基板１０のプロセス終了まで、伝熱ガス１０２，１０３の封止圧力が第２の圧力（１０００Ｐａ）から第１の圧力（６００Ｐａ）になるように、熱伝達能可変手段６を調整すると共に、加熱手段（ヒータ）４を第１の加熱パワー（４０％のパワー）に調整しながら、基板１０を第１の設定温度（４００度）に維持する（第５の行程）。
上記第４の基板温度制御方法によれば、静電チャックの温度の追従性が良くなる。
〔第２の例〕
図７は、上記第１から第４の基板温度制御方法に使用する第２の例の基板ホルダを示す模式図である。図８は、熱伝達能可変手段の横断面構造を示す断面図である。第１の例と同一の部材については、同一の符号を付して説明する。
第２の例の基板ホルダ２１は、第１の例と同様の仕様の基板ホルダにおいて、ホルダ本体１Ａと静電チャック３との隙間に区画形成した熱伝達能可変手段６の構造を変更したものである。
即ち、第２の例における熱伝達能可変手段６は、対向面に起立した円弧状のフィン１６Ａ、１７Ａをそれぞれ有する第１の板状体１６と第２の板状体１７とを対向配置して区画形成されている。これら第１の板状体１６のフィン１６Ａと第２の板状体１７のフィン１７Ａとは対向配置された状態で互い違いに隣り合って配置され、空間の縦断面形状が波型形状を呈している。
第２の例は、基本的に第１の例と同様の作用効果を奏するが、特に第２の例によれば、熱伝達能可変手段６の内部構造をフィン１６Ａ、１７Ａにより波型の空間構造としている。したがって、伝熱面積を増やすことができ、ホルダ本体と封止ガス間の熱移動速度を上げ、封止圧力の調整による熱伝達の制御性をより高めることができるという特有の効果を奏する。
〔第３の例〕
図９は、上記第１から第４の基板温度制御方法に使用する基板ホルダの第３の例を示す模式図である。図６は、本例の基板ホルダの温度変化を従来の温度変化との関係において示す説明図である。
図９に示すように、第３の例の基板ホルダ１は、スパッタリング装置に代表されるプラズマ処理装置の真空容器（図示せず）内に設けられる。この基板ホルダ１は、ホルダ本体１Ａの基板保持側（上部）に配された静電チャック３上に静電吸着により基板１０を保持する。
ホルダ本体１Ａは、例えば、基板１０として半導体ウエハを支持する円板状もしくは円柱状の支持部材である。ホルダ本体１Ａ内には、循環媒体（冷却媒体）１０１を流すための循環媒体流通経路１００が区画形成されている。この冷却媒体循環経路１００には、冷却媒体１０１を循環供給する循環媒体供給手段２が接続され、循環媒体流通経路１００内へ循環媒体１０１を循環させることにより、ホルダ本体１Ａに熱交換機能及び排熱機能をもたせている。本例では、循環媒体供給手段２として温度制御センサ２Ａ付きの循環チラーを採用しており、循環チラー２は略２００℃以下の温度（具体的には、１００〜２５０℃の温度）に制御可能となっている。循環媒体１０１としては、例えば、フッ素系媒体もしくはエチレングリコールを混合した冷却水や純水を用いることができる。
ホルダ本体１Ａの内部における循環媒体流通経路１００の上部には、伝熱ガス（封止ガス）１０３の封止空間として熱伝達能可変手段６が区画形成され、熱伝達能可変手段６は封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系１１０に接続されている。この熱伝達能可変手段６の周囲は、リング状の断熱部材７で区画されている。断熱部材７としては、例えば、アルミナやステンレス等の熱伝達率が２５Ｗ／ｍ2・Ｋ以下の材料が挙げられるが、ジルコニアや石英等の熱伝達率１０Ｗ／ｍ2・Ｋ未満の材料で形成することがより好ましい。この断熱部材７は、ホルダ本体１Ａの上部と下部を熱断熱し、ガス封止圧の調整による熱伝達率の制御を可能にする。
熱伝達能可変手段６は、伝熱ガスの封止圧力の調整により熱伝達率が可変となるように、使用するガスの平均自由行程をもとに、クヌーセン数（Ｋｕ＝λ／Ｌ、λ（ｍ）：分子の平均自由行程、Ｌ（ｍ）：代表長さ）が１より大きな値が得られる隙間寸法とする。クヌーセン数を１より十分に大きい値とするのは、この場合に分子間衝突を無視することができ、流体を連続体として取り扱うことができるからである。
伝熱ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。基板設定温度４５０℃で、Ａｒ、Ｈｅを用いる場合は、熱伝達能可変手段６の隙間（間隔）を０．１５〜０．５ｍｍに設定し、封止圧を１００Ｐａ、１０００Ｐａとすることで、下記表２のように熱伝達率が可変となる。プラズマ１１等による入熱１２がない場合等、ホルダ本体１Ａの循環媒体１０１による排熱エネルギーを小さくしたい場合には、封止圧を０Ｐａとして熱伝達率を最小にする。
Figure 2011084770
静電チャック３は静電吸着電極を内蔵し、基板１０を静電吸着して保持する。静電チャック３には、基板１０を加熱するための加熱手段４が内蔵されている。本例では、加熱手段４として、例えば、２００〜５００℃に昇温可能な温度制御センサ４Ａ付きのヒータを採用している。
ホルダ本体１Ａと静電チャック３との間には、シート状の熱伝達部材５が介設されている。熱伝達部材５は、１０〜２００Ｗ／ｍ2・Ｋの範囲内の熱伝達率を有する材料で形成され、例えば、カーボンシートまたは窒化アルミニウムシート等から構成されている。
静電チャック３と基板１０との隙間にも伝熱ガス（基板裏面ガス）１０２のガス封止手段８が形成され、このガス封止手段８は伝熱ガス供給系１２０に接続されている。このガス封止手段８は、基板１０の裏面をガス封止すると共に、基板１０と静電チャック３との熱伝達を行う。伝熱ガスとしては、上記と同様に、例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、または窒素（Ｎ2）等の不活性ガスが使用できる。
本例では、熱伝達能可変手段６に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１１０と、ガス封止手段８に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給系１２０は別系統に形成され、それぞれ別個に圧力制御が可能となっている。例えば、熱伝達能可変手段６にＡｒを封止し、ガス封止手段８にＨｅを封止するなど、双方の伝熱ガス供給系に異なる伝熱ガスを使用してもよいし、同一の伝熱ガスを使用しても構わない。
このような構成により、基板１０への入熱エネルギーは、ガス封止手段８、静電チャック３及び熱伝達部材５を通してホルダ本体１Ａに伝わる。ホルダ本体１Ａ内では、熱伝達能可変手段６により伝熱ガスの封止圧力を制御し、ホルダ本体１Ａの下部を流通する循環媒体流通経路１００の循環媒体１０１へ入熱エネルギーを伝熱し、循環チラー２を通して排熱する。
具体的には、３００ｍｍ径の基板１０を用いるスパッタリング装置やエッチング装置では、プロセス処理時の基板１０への入熱は１０００Ｗ程度である。この入熱量の場合、４５０℃に制御された静電チャック３は、基板裏面ガス（ＡｒまたはＨｅ）１０２を１００〜１ｋＰａ程度に封止する。このときの基板１０と静電チャック３の熱伝達率は１００〜５００Ｗ／ｍ2・Ｋに制御される。静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間は、熱伝達率が１０〜２００Ｗ／ｍ2・Ｋの熱伝達部材５として窒化アルミニウムシートやカーボンシート等を用いて伝熱する。ホルダ本体１Ａ内では、熱伝達能可変手段６により封止ガス（ＨｅまたはＡｒ）１０３の圧力を制御し、熱伝達率を１０〜８０００Ｗ／ｍ2・Ｋに可変して、ホルダ本体１Ａに流通する循環媒体１０１に伝熱して排熱が行われる。
即ち、ガス封止による熱伝達構造を採用して、プラズマ等により入熱が過渡的に加わる状態において、封止圧力の調整により熱伝達率を１０〜８０００Ｗ／ｍ2・Ｋに制御する。これにより、２００〜５００℃の設定温度の変動を１０秒以内に設定温度・１０℃以内に制御することができる。また、定常的に入熱が生じる状況下においても、上記熱伝達率の範囲で制御することで、設定温度・１０℃以内に制御することができる。
熱伝達能可変手段６を設けることにより、基板１０は静電チャック３のヒータ４により効率よく昇温されながらも、ホルダ本体１Ａの下部を流通する循環媒体１０１へ効率よく伝熱される。また、熱伝達能可変手段６はガス封止による熱伝達能力が可変であるので、循環媒体１０１を略２００℃以下で使用可能なように制御することができる。したがって、循環媒体１０１として、従来より用いられている発火性を有しない媒体、例えば、フロリナートやガルデン等のフッ素系媒体を使用することができる。
このように、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力制御により、熱伝達率を可変できる。したがって、静電チャック３とホルダ本体１Ａとの間の部材の変更や機構的な調整を行うことなく、循環媒体１０１を略２００℃以下とし、静電チャック３を２００〜５００℃の範囲において温度制御が可能である。
第３の例の基板ホルダ１によれば、図６に示すように２００〜５００℃の温度設定において、熱伝達能可変手段６の封止ガスの圧力調整による熱伝達率の制御のみで、高速（１０秒以内）かつ高精度（・１０℃以内）に基板温度の制御を実現できる。その際、プラズマ等による入熱に対する排熱機能を油性ではなく、発火性のない循環媒体１０１を用いることができ、静電チャック３からホルダ本体１Ａまで部材の変更や、機構的な調整等を行う必要はない。
また、熱伝達能可変手段６となる静電チャック３とホルダ本体１Ａとの隙間は、静電チャック３とホルダ本体１Ａの各材質の熱特性差による反りなどの熱変形が生じた場合でも、変形を吸収しガス伝達により安定した熱伝達率を確保できる。
さらに本例では、熱伝達能可変手段６の周囲は断熱部材７のみで封止されているので、使用温度条件により静電チャック３を取り替える場合やメンテナンスで交換する場合も、インジウム等の熱伝達材料を使用する場合に比べて、作業が容易に行える。
〔第４の例〕
図１０は、上記第１から第４の基板温度制御方法に使用する第４の例の基板ホルダを示す模式図である。図８は、熱伝達能可変手段の横断面構造を示す断面図である。第３の例と同一の部材については、同一の符号を付して説明する。
第４の例の基板ホルダ２１は、第３の例と同様の仕様の基板ホルダにおいて、ホルダ本体１Ａの内部の循環媒体流通経路１００の上部に区画形成した熱伝達能可変手段６の構造を変更したものである。
即ち、第４の例における熱伝達能可変手段６は、対向面に起立した円弧状のフィン１６Ａ、１７Ａをそれぞれ有する第１の板状体１６と第２の板状体１７とを対向配置して区画形成されている。これら第１の板状体１６のフィン１６Ａと第２の板状体１７のフィン１７Ａとは対向配置された状態で互い違いに隣り合って配置され、空間の縦断面形状が波型形状を呈している。
第４の例は、基本的に第３の例と同様の作用効果を奏するが、特に第４の例によれば、熱伝達能可変手段６の内部構造をフィン１６Ａ、１７Ａにより波型の空間構造としている。したがって、伝熱面積を増やすことができ、ホルダ本体と封止ガス間の熱移動速度を上げ、封止圧力の調整による熱伝達の制御性をより高めることができるという特有の効果を奏する。
本発明に係る基板ホルダを用いた基板温度制御方法は、スパッタリング装置やドライエッチング装置のみならず、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等の真空容器を備えた処理装置の基板ホルダを用いた基板温度制御方法として適用可能である。
１、２１ 基板ホルダ
１Ａ ホルダ本体
２ 循環媒体供給手段
３ 静電チャック
４ ヒータ
５ 熱伝達部材
６ 熱伝達能可変手段
７ 断熱部材
８ ガス封止手段
１０ 基板
１６ 第１の板状体
１６Ａ、１７Ａ フィン
１７ 第２の板状体
１００ 循環媒体流通経路
１０１ 循環媒体
１０２、１０３ 伝熱ガス
１１０、１２０ 伝熱ガス供給系

Claims (8)

  1. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と
    （２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
    （３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力で一定になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  2. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
    （３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させ、前記基板が第１の設定温度になった時点で、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より低い第２の圧力まで下げる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  3. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
    （３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第２の加熱パワーより高い第１の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
    （５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  4. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを封止して形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、前記静電チャックと前記基板との隙間に伝熱ガスを封止して形成され、伝熱ガス供給系に接続されたガス封止手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
    （３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より高い第２の圧力になるように調整しながら、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第２の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより高い第３の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
    （５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力から第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  5. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
    （３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力で一定になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  6. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間へ伝熱ガスの供給を供給せずに、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段による基板の加熱を停止し、プラズマからの入熱のみにより、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第２の行程と、
    （３）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持し、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させ、前記基板が第１の設定温度になった時点で、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より低い第２の圧力まで下げる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーより高い第２の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第４の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  7. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
    （３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第２の加熱パワーより高い第１の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
    （５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。
  8. ホルダ本体の基板保持側に設けられ、基板を静電吸着する静電チャックと、
    前記静電チャックに内蔵され、前記基板を加熱する加熱手段と、
    前記ホルダ本体の内部に形成され、循環媒体を循環供給する循環媒体供給手段に接続された循環媒体流通経路と、
    前記ホルダ本体の内部における前記循環媒体流通経路の上部に伝熱ガスの封止空間として区画形成され、封止圧力を調整可能な伝熱ガス供給系に接続された熱伝達能可変手段と、
    を備えた基板ホルダを用いた基板温度制御方法であって、
    （１）基板のプロセス開始前に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記加熱手段のみにより前記静電チャック上の基板を第１の設定温度まで昇温させる第１の行程と、
    （２）前記基板が第１の設定温度になった時点で、基板のプロセスの開始まで、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第２の行程と、
    （３）基板のプロセス開始時に、前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより低い第２の加熱パワーまで下げると共に前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第１の圧力より高い第２の圧力になるように調整しながら、プラズマからの入熱により、静電チャック上の基板を前記第１の設定温度より高い第２の設定温度まで昇温させる第３の行程と、
    （４）基板のプロセス中に、前記ホルダ本体と前記静電チャックとの隙間に伝熱ガスを供給し、前記熱伝達能可変手段により前記伝熱ガスの封止圧力を第２の圧力に維持すると共に前記加熱手段の加熱パワーを第１の加熱パワーより高い第３の加熱パワーまで上げて、前記第２の設定温度まで加熱された基板を第１の設定温度まで降温させる第４の行程と、
    （５）基板のプロセス終了まで、前記伝熱ガスの封止圧力が第２の圧力から第１の圧力になるように、前記熱伝達能可変手段を調整すると共に、前記加熱手段を第１の加熱パワーに調整しながら、前記基板を第１の設定温度に維持する第５の行程と、
    を含むことを特徴とした基板ホルダを用いた基板温度制御方法。


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