JP2011204812A - 複数温度領域分割制御構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる温度に調整される２つ以上の領域を有する構造体であって、水平方向の熱伝導を抑制すると共に、垂直方向からの入熱に対してはスムーズな熱の移動を確保して熱的特異点の発生を抑制することができる複数領域温度分割制御構造体を提供する。
【解決手段】表面温度がそれぞれ異なる温度に制御されるセンターエリア５１及びエッジエリア５２と、その間に配置され、センターエリア５１とエッジエリア５２の配列方向に沿った熱伝導率が、配列方向に交差する方向における熱伝導率よりも小さく、水平方向の熱伝導に対して、例えば断熱材として機能し、且つ垂直方向の熱伝導に対して、例えば熱伝導材として機能する傾斜材５６を配置する。
【選択図】図６

Description

本発明は、表面を複数の温度領域に分割して各温度領域の温度を制御する複数温度領域分割制御構造体に関する。

基板としての半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）にプラズマ処理を施す基板処理装置においてウエハを載置する載置台（サセプタ）として、載置面を複数の温度領域に分割して制御し、ウエハを各温度領域で支持するサセプタが知られている。

ウエハを各温度領域で支持するサセプタのように、表面が複数の温度領域に分割される複数温度領域分割制御構造体、又は異なる温度に調整される複数の部材が組み立てられて複数の温度領域を有する組み立て構造体において、各領域の温度をそれぞれ調節する際、隣接する異なる温度領域の境界面又は連結面において熱の移動が発生し、熱効率が低下するという問題がある。また、領域相互間の温度差を確保できないという問題がある。

そこで、かかる複数温度領域分割制御構造又は組み立て構造体における温度調節時の熱効率の低下を防止し、且つ領域相互間の温度差を確保するために、隣接する領域相互間に断熱材を配置させるか、又は隣接する領域を熱伝導率が異なる原材料で構成する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９２２９７号公報

しかしながら、複数温度領域分割制御構造体における異なる温度に制御される複数の領域相互間に断熱材を配置させた場合、断熱材を介した領域相互間の熱の伝導を防止することはできるものの、各領域の配列方向と交差する方向からの入熱に対しては、断熱材の直上部の温度が回りの温度よりも高くなって温度的特異点（以下、「ホットスポット」という。）が形成されるという問題がある。ホットスポットは、所定温度に調整、制御される当該領域の温度均一性を阻害するだけでなく、熱効率を低下させる原因にもなる。

本発明の目的は、異なる温度に制御される２つ以上の領域を有する構造体であって、各領域の配列方向に沿った熱伝導を抑制して温度差を保持すると共に、２つ以上の領域の配列方向に交差する方向からの入熱に対してはスムーズな熱の伝導を確保してホットスポットの発生を抑制することができる複数温度領域分割制御構造体を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の複数温度領域分割制御構造体は、表面温度がそれぞれ異なる温度に制御される２つ以上の領域と、前記２つ以上の領域相互間に配置された熱伝導異方性材料層と、を有し、前記熱伝導異方性材料層は、前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導率が、前記２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導率よりも小さいことを特徴とする。

請求項２記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記熱伝導異方性材料層は、前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導と配列方向に交差する方向における熱伝導との相対的な関係において、前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導に対しては断熱層として機能し、前記２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導に対しては熱伝導層として機能することを特徴とする。

請求項３記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１又は２記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記熱伝導異方性材料層における前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導率に対する前記２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導率の比が７以上であることを特徴とする。

請求項４記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記熱伝導異方性材料層は、チタン−カーボン、アルミニウム−カーボンファイバ、チタン−アルミニウム及びガラス状カーボン−カーボンから選択される複合材からなることを特徴とする。

請求項５記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記２つ以上の領域は、熱伝導等方性材料で形成されていることを特徴とする。

請求項６記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複数温領域分割制御構造体において、前記複数温度領域分割制御構造体は、前記２つ以上の領域が連続して配列された板状体であり、前記熱伝導異方性材料層は、前記板状体を厚さ方向に貫通していることを特徴とする。

請求項７記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記２つ以上の領域には、それぞれ温度調整手段が設けられており、前記熱伝導異方性材料層は、隣接する温度調整手段相互間に配置されていることを特徴とする。

請求項８記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項７記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記温度調整手段は、熱交換媒体が流通する媒体流路又はペルチェ素子もしくは抵抗加熱体であることを特徴とする。

請求項９記載の複数温度領域分割制御構造体は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体において、前記複数温度領域分割制御構造体は、基板処理装置の載置台、上部電極板及びデポジットシールドのうちのいずれか１つであることを特徴とする。

本発明によれば、表面温度がそれぞれ異なる温度に制御される２つ以上の領域と、２つ以上の領域相互間に配置された熱伝導異方性材料層と、を有し、熱伝導異方性材料層は２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導率が、該２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導率よりも小さいので、２つ以上の領域の配列方向に沿った熱の移動を抑制して温度差を保持すると共に、２つ以上の領域の配列方向に交差する方向からの入熱に対してはスムーズな熱の伝導を確保してホットスポットの発生を抑制することができる。

本発明にかかる複数温度領域分割制御構造体を構成部材として適用する基板処理装置の概略構成を示す断面図である。 複数温度領域分割制御構造体の一例の概略構成を示す断面図である。 図２における第１の温度領域及び第２の温度領域との間に配置される境界部材を示す説明図である。 図３の境界部材における水平方向の熱伝導に対する特性を示す図である。 図３の境界部材における垂直方向の熱伝導に対する特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体としてのサセプタの概略構成を示す断面図である。 第１の実施の形態の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体としてのデポジットシールドを示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体としての上部電極板を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る複数温度領域分割制御構造体を構成部材として適用する基板処理装置の概略構成を示す断面図である。この基板処理装置は、ウエハに所定のプラズマエッチング処理を施すものである。

図１において、基板処理装置１０は、ウエハＷを収容するチャンバ１１を有し、チャンバ１１内にはウエハＷを載置する円柱状のサセプタ１２が配置されている。チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって側方排気路１３が形成される。側方排気路１３の途中には排気プレート１４が配置されている。

排気プレート１４は多数の貫通孔を有する板状部材であり、チャンバ１１の内部を上部と下部に仕切る仕切板として機能する。排気プレート１４によって仕切られたチャンバ１１内部の上部（以下、「処理室」という。）１５には、後述するようにプラズマが発生する。また、チャンバ１１内部の下部（以下、「排気室（マニホールド）」という。）１６にはチャンバ１１内のガスを排出する排気管１７が接続されている。排気プレート１４は処理室１５に発生するプラズマを捕捉し、又は反射してマニホールド１６への漏洩を防止する。

排気管１７には、ＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）及びＤＰ（Dry Pump）（共に図示省略）が接続され、これらのポンプはチャンバ１１内を真空引きして所定圧力まで減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力はＡＰＣバルブ（図示省略）によって制御される。

チャンバ１１内のサセプタ１２には第１の高周波電源１８が第１の整合器１９を介して接続され、且つ第２の高周波電源２０が第２の整合器２１を介して接続されており、第１の高周波電源１８は比較的低い周波数、例えば、２ＭＨｚのバイアス用の高周波電力をサセプタ１２に印加し、第２の高周波電源２０は比較的高い高周波、例えば６０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力をサセプタ１２に印加する。これにより、サセプタ１２は電極として機能する。また。第１の整合器１９及び第２の整合器２１は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への印加効率を最大にする。

サセプタ１２の上部には、静電電極板２２を内部に有する静電チャック２３が配置されている。静電チャック２３は段差を有し、セラミックスなどで構成されている。

静電電極板２２には直流電源２４が接続されており、静電電極板２２に正の直流電圧が印加されると、ウエハＷにおける静電チャック２３側の面（以下、「裏面」という。）には負電位が発生して静電電極板２２及びウエハＷの裏面の間に電位差が生じ、この電位差に起因するクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウエハＷは静電チャック２３に吸着保持される。

また、静電チャック２３には、吸着保持されたウエハＷを囲むように、フォーカスリング２５が静電チャック２３の段差における水平部へ載置される。フォーカスリング２５は例えば、シリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）によって構成される。

サセプタ１２の内部には、例えば、後述する円周方向に延在する環状の媒体流路が設けられている。媒体流路には、チラーユニット（図示省略）から媒体用配管を介して低温の熱交換媒体、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）が循環供給される。熱交換媒体によって冷却されたサセプタ１２は静電チャック２３を介してウエハＷ及びフォーカスリング２５を冷却する。なお、媒体流路の用途は、冷却には限られず、常温での維持、又は加熱の場合もあり得る。したがって、媒体流路を流れる流通媒体は、一般的に熱交換媒体として用いられるものであれば良く、媒体流路は熱交換媒体流路として使用される。

静電チャック２３におけるウエハＷが吸着保持されている部分（以下、「吸着面」という。）には、複数の伝熱ガス供給孔２８が開口している。伝熱ガス供給孔２８は、伝熱ガス供給ライン２９を介して伝熱ガス供給部（図示省略）に接続され、伝熱ガス供給部は伝熱ガスとしてのＨｅ（ヘリウム）ガスを、伝熱ガス供給孔２８を介して吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給する。吸着面及びウエハＷの裏面の間隙に供給されたＨｅガスはウエハＷの熱を静電チャック２３に効果的に伝達する。

チャンバ１１の天井部には、サセプタ１２と処理室１５の処理空間Ｓを介して対向するようにシャワーヘッド３０が配置されている。シャワーヘッド３０は、上部電極板３１と、この上部電極板３１を着脱可能に釣支するクーリングプレート３２と、クーリングプレート３２を覆う蓋体３３とを有する。上部電極板３１は厚さ方向に貫通する多数のガス孔３４を有する円板状部材からなり、半導電体であるＳｉやＳｉＣによって構成される。また、クーリングプレート３２の内部にはバッファ室３５が設けられ、バッファ室３５にはガス導入管３６が接続されている。

また、シャワーヘッド３０の上部電極板３１は接地される。

このような構成の基板処理装置１０では、処理ガス導入管３６からバッファ室３５へ供給された処理ガスが上部電極板３１のガス孔３４を介して処理室１５内部へ導入され、導入された処理ガスは、第２の高周波電源２０からサセプタ１２を介して処理室１５内部へ印加されたプラズマ生成用の高周波電力によって励起されてプラズマとなる。プラズマ中のイオンは、第１の高周波電源１８がサセプタ１２に印加するバイアス用の高周波電源によってウエハＷに向けて引き込まれ、ウエハＷにプラズマエッチング処理を施す。

基板処理装置１０の各構成部材の動作は、基板処理装置１０が備える制御部（図示省略）のＣＰＵがプラズマエッチング処理に対応するプログラムに応じて制御する。

このような基板処理装置において、処理空間Ｓにおけるラジカル密度の均一化を図るために、サセプタ１２の表面をセンターエリアと、該センターエリアを取り巻くエッジエリアとに分割し、エッジエリアの温度がセンターエリアの温度よりも低くなるように調整される。このとき、サセプタ１２のセンターエリアとエッジエリアの境界部で生じる熱伝導に起因する熱効率の低下を防止するために、センターエリアとエッジエリアとの境界部に断熱材を配置することが考えられる。断熱材は、センターエリアとエッジエリアとの間における熱の移動を防止することはできるが、処理空間Ｓにおけるプラズマの発生に伴う上方からの入熱に対しても断熱材として機能するので、当該断熱材の上部にホットスポットが形成され、これによって処理空間Ｓにおけるラジカル密度が均一にならず、ひいては熱効率を向上させることができないという問題がある。

本発明者は、表面を複数の温度領域に分割して各温度領域を制御する複数温度領域分割制御構造体における隣接する温度領域相互間における各温度領域の配列方向に沿った熱伝導及び各温度領域の配列方向に交差する方向における熱伝導について鋭意研究した結果、複数の温度領域相互間に熱伝導異方性材層を配置することによって、複数の温度領域相互間における熱伝導を抑制して温度差を維持することができ、且つ複数の温度領域の配列方向に交差する方向における熱伝導を促進してホットスポットの形成を回避できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明に係る複数温度領域分割制御構造体は、表面温度がそれぞれ異なる温度に制御される２つ以上の領域と、該２つ以上の領域相互間に配置された熱伝導異方性材料層と、を有し、熱伝導異方性材料層は、２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導率が、２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導率よりも小さいことを特徴とする。

次に、図面を用いて本発明の原理について説明する。

図２は、複数温度領域分割制御構造体の一例の概略構成を示す断面図である。

図２において、複数温度領域分割制御構造体４０は、図２中、水平方向に隣接して配置された第１の温度領域４１及び第２の温度領域４２を有する構造体本体４５と、第１の温度領域４１内に設けられた第１の温度調整手段としての第１の媒体流路４３と、第２の温度領域４２内に設けられた第２の温度調整手段としての第２の媒体流路４４と、第１の温度領域４１及び第２の温度領域４２との間に配置された境界部材４６（熱伝導異方性材料層）とから主として構成されている。構造体本体４５は熱伝導等方性材料、例えばカーボンで構成されている。なお、以下、便宜上、表面温度が異なる温度に調整される温度領域の配列方向を水平方向といい、温度領域の配列方向に交差する方向を垂直方向という。

境界部材４６は、媒体流路４３及び４４における熱交換媒体の流通方向に直交する断面がＴ字型を呈しており、断面Ｔ字型の垂直部分（以下、「仕切部分」という。）が第１温度領域４１と第２温度領域４２との間に配置され、断面Ｔ字型の水平部分の両端部が第１の媒体流路４３及び第２の媒体流路４４の上部に架かるように配置されている。

このような構成の複数温度領域分割制御構造体４０において、境界部材４６として図３に示す４つの境界部材４６ａ〜４６ｄをそれぞれ適用したシミュレーションモデルを想定する。

図３は、図２における第１の温度領域４１及び第２の温度領域４２との間に配置される境界部材を示す説明図である。

図３において、図３（Ａ）の境界部材４６ａは、例えば断面Ｔ字型の水平部分の長さが１０ｍｍ、幅が５ｍｍ、仕切部分の全長が１０ｍｍ、幅が１．７ｍｍである。境界部材４６ａは、断面Ｔ字型の全体が等方的に熱伝導性を示す熱伝導等方性材料、例えばカーボンで構成されている。

図３（Ｂ）の境界部材４６ｂは、例えば断面Ｔ字型の水平部分の長さが１０ｍｍ、幅が５ｍｍ、仕切部分の全長が１０ｍｍ、幅は０．５ｍｍである。境界部材４６ｂは、仕切部分の全てが断熱材、例えばチタンで構成されている。

図３（Ｃ）の境界部材４６ｃは、断面Ｔ字型の各寸法が図３（Ａ）の境界部材４６ａと同様である。この境界部材４６ｃが、図３（Ａ）の境界部材４６ａと異なるところは、仕切部分に所定間隔、例えば０．３ｍｍ間隔で所定幅、例えば０．１ｍｍ幅の断熱材層を、仕切部分の幅方向（水平方向）に関して、例えば５層設けたものである。断熱材としては、図３（Ｂ）の仕切部分に適用したチタンが使用される。この境界部材４６ｃの仕切部分は熱伝導異方性材（以下、「傾斜材」という。）としての性質を有し、水平方向の熱伝導に対して、例えば断熱材として機能し、垂直方向の熱伝導に対して、例えば熱伝導材として機能する。

図３（Ｄ）の境界部材４６ｄは、断面Ｔ字型の各寸法が図３（Ａ）の境界部材４６ａと同様であり、この境界部材４６ｄが、図３（Ａ）の境界部材４６ａと異なるところは、水平部分及び仕切部分の全体に、所定間隔、例えば０．３ｍｍ間隔で所定幅、例えば０．１ｍｍ幅の断熱材層を水平方向に関して多数設けた点である。この境界部材４６ｄは、断面Ｔ字型の全体が傾斜材としての性質を有し、水平方向の熱伝導に対して、例えば断熱材として機能し、垂直方向の熱伝導に対して、例えば熱伝導材として機能する。

図２の複数温度領域分割制御構造体４０における境界部材４６として、図３の各境界部材４６ａ〜４６ｄをそれぞれ適用したシミュレーションモデルを想定し、第１の温度領域４１の第１の媒体流路４３が３０８（Ｋ）（ケルビン）になるような熱交換媒体を流通させると共に、第２の温度領域４２の第２の媒体流路４４が３２３（Ｋ）になるような熱交換媒体を流通させた場合の第１の温度領域４１及び第２の温度領域４２の表面における図２中、水平方向の温度分布を求め、結果を図４に示した。

また、第１の媒体流路４３及び第２の媒体流路４４が共に３０８（Ｋ）になるような熱交換媒体を流した状態で、上部から２８０００（Ｗ／ｍ^２）の電力を印加することによって生成されたプラズマに起因して発生する熱を照射し、第１の温度領域４１及び第２の温度領域４２の表面における図２中、水平方向の温度分布を求め、結果を図５に示した。

図４は、図３の境界部材における水平方向の熱伝導に対する特性を示す図である。図４中、縦軸は領域の温度（Ｋ）を示し、横軸は、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との境界面（０）からの距離を示す。

図４において、破線で示すように、図３（Ａ）の境界部材４６ａを用いた構造体は、第１の温度領域４１の表面温度が第２の温度領域４２の表面温度に引っ張られて上昇する一方、第２の温度領域４２の表面温度が第１の温度領域４１の表面温度に引っ張られて低下しており、第１の温度領域４１の表面温度と第２の温度領域４２の表面温度との境界が不明りょうとなっている。なお、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２は、上述のように共に、熱伝導等方性材料で構成されているので、各領域における表面温度と内部温度とは均一と考えられる。従って、以下、各領域の表面温度と内部温度を特に区別しないで、単に領域の温度ということがある。

一点鎖線で示すように、図３（Ｂ）の境界部材４６ｂを用いた構造体は、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との温度の境界が明りょうであり、境界部材４６ｂが第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との配列方向に沿った熱伝導に対して断熱材として機能していることが分かる。

また、実線で示すように、図３（Ｃ）の境界部材４６ｃを用いた構造体は、図３（Ｂ）の境界部材４６ｂを用いた構造体と同様、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との温度の境界が明りょうであり、境界部材４６ｃが領域配列方向に沿った熱伝導に対して断熱材として機能していることが分かる。

一方、二点鎖線で示すように、図３（Ｄ）の境界部材４６ｄを用いた構造体は、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との温度差が境界部材４６ｂ及び４６ｃを用いた構造体に比べて大きくなっており、領域配列方向に沿った熱伝導に対する断熱材としての機能が増大していることが分かる。これによって、境界部材４６ｄを用いた場合は、第１の媒体流路４３を流れる第１の熱交換媒体及び第２の媒体流路４４を流れる第２の熱交換媒体の冷却作用が有効に発現されていることになる。

図４の結果から、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との温度差を維持する境界部材として、境界部材４６ｂ、境界部材４６ｃ及び境界部材４６ｄが好適であることが分かる。

一方、図５は、図３の境界部材における垂直方向の熱伝導に対する特性を示す図である。図５中、縦軸は領域の温度（Ｋ）を示し、横軸は、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との境界面（０）からの距離を示す。

図５において、破線で示すように、境界部材４６ａを適用した構造体は、垂直方向の熱の移動がスムーズとなり、構造体本体４５の表面温度は３０９（Ｋ）でほぼ均一になっている。これは、境界部材４６ａ全体が熱伝導等方性材料で構成されており、等方的に熱伝導性が発現されるからである。

これに対して、一点鎖線で示すように、境界部材４６ｂを適用した構造体は、境界部材４６ｂの上部がまわりの温度よりも高いホットスポットとなっている。これは、仕切部分に配置した断熱材層が垂直方向の熱伝導に対しても断熱材として機能し、境界部材４６ｂの上部に温度的な特異点が形成されるからである。

また、実線で示すように、境界部材４６ｃを適用した構造体は、境界部材４６ｃの上部に若干周りの部分よりも温度が高い部分が見られるものの、４６ｂの該当箇所における温度に比べれば十分に低いといえる。従って、境界部材４６ｃを適用した構造体では、仕切部分を構成する傾斜材が垂直方向の熱伝導に対して断熱材ではなく、熱伝導材として機能していることが分かる。

一方、二点差線で示すように、境界部材４６ｄを適用した構造体は、ホットスポットの発生は見られないが、垂直方向の熱の拡散が全体的に阻害され、構造体本体４５の表面全体の温度が他の境界部材を適用した構造体に比べて上昇している。これによって、境界部材４６ｄは、垂直方向の熱伝導に対して弱い断熱材として機能していることが分かる。

図４及び図５の結果の評価を下記表１にまとめて示す。

表１は、図３の境界部材４６ａ〜４６ｄにおける水平方向の断熱性及び垂直方向の熱伝導性の評価をまとめて示したものである。ここで、「○」は、その性質が良好であることを示し、△は、良好ではないが不良でもないことを示し、×は、不良であることを示す。なお、本実施の形態における断熱性は、熱が伝わり難いことを意味しており、全く熱が伝わらないことを意味するものではない。

表１から、水平方向の熱伝導に対し断熱材として機能し、垂直方向の熱伝導に対し熱伝導材として機能する境界部材としては、仕切部分に傾斜材を適用した図３（Ｃ）の境界部材４６ｃが有効であることが分かる。

すなわち、第１の温度領域４１及び第２の温度領域４２を有する図２の複数温度領域分割制御構造体４０において、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との温度差を維持しつつ上部からの入熱に対し、ホットスポットの発生を抑制するためには、第１の温度領域４１と第２の温度領域４２との間に、水平方向に沿った熱伝導率が、垂直方向における熱伝導率よりも小さい傾斜材、換言すれば、水平方向の熱伝導に対して断熱材として機能し、垂直方向の熱伝導に対して熱伝導材として機能する傾斜材を配置すれば良いことが分かる。

従って、本発明においては、表面温度がそれぞれ異なる温度に制御される２つ以上の領域を備えた複数温度領域分割制御構造体において、各領域相互間に、水平方向に沿った熱伝導率が垂直方向に沿った熱伝導率よりも小さい傾斜材が配置される。

以下、本発明の第１の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体について説明する。

図６は、本発明の第１の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体としてのサセプタの概略構成を示す断面図である。

図６において、このサセプタ１２は、第１の温度領域としてのセンターエリア５１及び第２の温度領域としてのエッジエリア５２を有するサセプタ本体５５と、サセプタ本体５５のセンターエリア５１内に設けられた第１の媒体流路５３及びエッジエリア５２内に設けられた第２の媒体流路５４と、第１の媒体流路５３及び第２の媒体流路５４との間に配置された熱伝導異方性材料からなる傾斜材５６とから主として構成されている。なお、サセプタ本体５５は熱伝導等方性材料である、例えば金属アルミニウムで構成されている。

サセプタ１２は円板状を呈しており、その直径は、例えば３２０〜４００ｍｍ、厚さは、２０〜５０ｍｍであるが、これらの数値はサセプタ１２に載置するウエハＷのサイズに応じて変わることは言うまでもない。サセプタ１２の上部表面には、静電チャック５７を介してウエハＷが載置されており、静電チャック５７に吸着保持されたウエハＷを囲むようにフォーカスリング５８が配置されている。サセプタ１２のセンターエリア５１は、第１の媒体流路５３を流れる比較的高温の熱交換媒体によって冷却され、エッジエリア５２は、第２の媒体流路５４を流れる比較的低温の熱交換媒体によって冷却される。

傾斜材５６は、第１の媒体流路５３と第２の媒体流路５４との間であって、センターエリア５１とエッジエリア５２との境界部に、サセプタ本体５５をその厚さ方向に貫通するように配置されている。従って、傾斜材５６は、円板状のセンターエリア５１と円環状のエッジエリア５２との間に配置された円環状を呈している。

このような構成のサセプタ１２に載置されるウエハＷの温度は、サセプタ１２の表面におけるセンターエリア５１及びエッジエリア５２の温度、ひいてはセンターエリア５１内の第１の媒体流路５３を流通する媒体温度及びエッジエリア５２内の第２の媒体流路５４を流通する媒体温度によって決まる。

図６のサセプタ１２を図１の基板処理装置１０のチャンバ１１内に配置し、第１の媒体流路５３に、例えば３２３（Ｋ）の熱交換媒体を流通させ、第２の媒体流路５４に、例えば３０８（Ｋ）の熱交換媒体を流通させ、処理室１５内へ処理ガスを導入すると共に、第２の高周波電源２０からサセプタ１２を介してプラズマ生成用の高周波電力を印加し、処理ガスを励起することによってプラズマを発生させた場合、サセプタ１２のセンターエリア５１の表面は、３２３（Ｋ）よりもわずかに高い、例えば３２４（Ｋ）となり、エッジエリア５２の表面は、３０８（Ｋ）よりもわずかに高い、例えば３０９（Ｋ）となる。また、このとき、プラズマに起因する処理空間Ｓからの入熱は、サセプタ１２の全表面に均等に伝達され、傾斜材５６の上部にホットスポットが形成されることはい。ウエハＷの上方の矢印は、プラズマの発生に伴う入熱を示すものである。

本実施の形態によれば、異なる温度に調整、制御されるセンターエリア５１とエッジエリア５２を有するサセプタ１２における水平方向に沿った熱の伝導を抑制して両エリアの温度差を保持すると共に、垂直方向からの入熱に対してはスムーズな熱の移動を確保してホットスポットの発生を防止することができ、ひいては熱効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、傾斜材５６を、サセプタ本体５５の厚さ方向に貫通するものとしたので、水平方向の熱伝導に対して大きな断熱効果が得られ、これによって、熱交換媒体の相互干渉を最小にできるのでエネルギーの損失を抑制することができる。本実施の形態におけるサセプタ１２はサセプタ表面のセンターエリア５１とエッジエリア５２との温度差を維持すると共に、サセプタ全体の熱効率を向上させたい場合に有効である。

本実施の形態において、傾斜材５６の水平方向の厚みは、センターエリア５１とエッジエリア５２との間に要求される断熱の程度によって決定される。すなわち、強い断熱性が要求される場合は、傾斜材５６の厚みは厚くされ、弱い断熱性が得られれば十分である場合は、傾斜材５６の厚みは薄くされる。傾斜材５６の厚みを厚くした結果として傾斜材５６の側面が第１の媒体流路５３及び第２の媒体流路５４の側面に当接した状態にすることもできる。傾斜材５６を第１の媒体流路５３及び第２の媒体流路５４の両方又はいずれか一方に当接させることによってサセプタ全体として物理的強度を保つことが困難となる場合は、第１の媒体流路５３の側面及び第２の媒体流路５４の側面の両方もしくはいずれか一方、又はサセプタ本体５５自体を強化することが好ましい。なお、傾斜材５６は、熱膨張率がサセプタ本体５５と同等の材料、又は隣接部材との熱膨張差を吸収できる材料で形成されることが好ましい。

本実施の形態において、異なる温度に調整、制御される温度領域を、センターエリア５１とエッジエリア５２の２つとしたが、異なる温度領域は２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。

本実施の形態において、傾斜材５６は、水平方向の熱伝導に対して断熱材として機能し、垂直方向の熱伝導に対して熱伝導材として機能するものであり、例えば、チタン（Ｔｉ）とカーボン（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）とカーボンファイバ、チタン−アルミニウム及びガラス状カーボン−カーボンから選択される複合材からなることが好ましい。

本実施の形態において、傾斜材５６の水平方向の熱伝導率と垂直方向の熱伝導率は互いの相対的関係により決まる。具体的には、傾斜材として用いる材料がチタン−カーボンの場合には難熱伝達方向の熱伝導率は１０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と易熱伝達方向の熱伝導率は２００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））となり、アルミニウム−カーボンファイバの場合には同じくそれぞれが１５０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と１０００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、グラシーカーボンとカーボンの場合はそれぞれが１０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と２００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、チタンとアルミニウムの場合にはそれぞれが１０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と１５０（Ｗ／（ｍ・Ｋ））となる。これにより、傾斜材５６の水平方向の熱伝導率に対する垂直方向の熱伝導率の比が概ね７以上となるように選択されれば良い。

本実施の形態において、センターエリア５１とエッジエリア５２内に設けられる温度調整手段が、熱交換媒体が流通する媒体流路である場合について説明したが、本実施の形態において温度調整手段は、媒体流路に限定されるものではなく、熱電素子（例えばペルチェ素子）、その他のヒータ、例えば抵抗加熱体であってもよい。温度調節手段として、媒体流路、熱電素子、抵抗加熱体等を採用することにより、制御が容易で、且つ長寿命を確保することができる。

以下に、第１の実施の形態の変形例について説明する。

図７は、第１の実施の形態の変形例を示す断面図である。

図７において、このサセプタ６２が図６のサセプタ１２と異なるところは、サセプタ本体５５の厚さ方向に貫通する傾斜材５６に代えて、サセプタ本体５５の上部表面からその厚さ方向の中間点まで延びる傾斜材６６を設けた点である。

本実施の形態の変形例によれば、上記実施の形態と同様、センターエリア５１とエッジエリア５２との境界面における水平方向に沿った熱伝導を抑制して温度差を保持すると共に、プラズマに起因するサセプタ６２の上方からの入熱に対してはスムーズな熱の移動を確保して傾斜材６６の上部におけるホットスポットの発生を防止することができる。

本実施の形態のサセプタ６２は、サセプタ全体における熱効率はある程度低下してもサセプタ表面におけるセンターエリア５１とエッジエリア５２との温度差を確保したい場合に有効である。

以下、本発明の第２の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体について説明する。

図８は、本発明の第２の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体としてのデポジットシールド（以下、「デポシールド」という。）を示す断面図である。

デポシールドは、基板処理装置のチャンバ内に設けられ、その表面温度をある程度高く設定することによってデポの付着を防止するためのものであり、通常、表面温度は、４００（Ｋ）〜４５０（Ｋ）に設定される。しかしながら、例えば、デポシールドに設置されたセンサ等を保護するために、センサの設置位置に対応する部分だけを覆うようにデポを付着させたい場合がある。かかる場合は、センサの設置位置に対応する部分だけが周りの温度よりも低温になるように制御されてデポの付着が促進される。このように適用されるデポシールドは複数温度領域分割制御構造体である。

図８において、基板処理装置１０のチャンバ１１の側壁にデポシールド７５が設けられている。デポシールド７５は、等方的な熱伝導性を示す、例えばアルミニウム材で構成されている。デポシールド７５は、低温エリア７１と高温エリア７２に区画され、低温エリア７１には低温用の媒体流路７３が設けられており、高温エリア７２には高温用の媒体流路７２が設けられている。低温エリア７１と高温エリア７２との境界部分には、デポシールト７５の厚さ方向に貫通する傾斜材７６が配設されている。

このような構成のデポシールド７５を備えた基板処理装置１０を用いてサセプタ１２の上部表面に静電チャック２３を介して載置されたウエハＷに所定のプラズマ処理を施し、デポシールド７５の低温用の媒体流路７３に、例えば３０８（Ｋ）の熱交換媒体を流通させ、高温用の媒体流路７４に、例えば４００（Ｋ）の熱交換媒体を流通させると、低温エリア７１の表面温度は、例えば３１０（Ｋ）、高温エリア７２の表面温度は、例えば３９８（Ｋ）となり、両者の温度差は良好に保持される。また、このとき、プラズマに起因する処理空間Ｓからの入熱に対し、傾斜材７６の上部にホットスポットが形成されることもない。

本実施の形態によれば、低温エリア７１と高温エリア７２との温度差を確保し、且つプラズマに起因する処理空間Ｓからの入熱に対してもホットスポットを形成することなく、全エリアに均一に伝導させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体について説明する。

図９は、本発明の第３の実施の形態に係る複数温度領域分割制御構造体としての上部電極板を示す断面図である。

上部電極板は、処理空間Ｓに処理ガスを供給するシャワーヘッドの構成部材であり、処理空間Ｓ内に高周波電力を印加し、処理ガスを励起してプラズマを発生させる際の電極であり、センター部分とエッジ部分とで温度差を設ける場合は、複数温度領域分割制御構造体となる。

図９において、基板処理装置１０のチャンバ１１内に設けられたシャワーヘッド３０の構成部材である上部電極板８５は、熱伝導等方性材料である、例えばＳｉからなる直径３００〜５００ｍｍφ、厚さ５〜１０ｍｍの円板状を呈しており、処理空間Ｓを介してサセプタ１２の上部表面に静電チャック２３を介して載置されたウエハＷと対向している。上部電極板８５は、サセプタ１２の図６に示したセンターエリア５１及びエッジエリア５２にそれぞれ対向する電極板センターエリア８１及び電極板エッジエリア８２を有しており、電極板センターエリア８１及び電極板エッジエリア８２の境界部に傾斜材８６が、その厚さ方向に貫通するように配置されている。

このような構成の上部電極板８５における電極板センターエリア８１及び電極板エッジエリア８２は、図６のサセプタ１２のセンターエリア５１及びエッジエリア５２と同様、それぞれ異なる温度に調整され、且つ処理空間Ｓにおけるプラズマの発生に伴う図９中、下方からの入熱を受けるが、電極板センターエリア８１及び電極板エッジエリア８２の間に傾斜材８６を配置したので、電極板センターエリア８１及び電極板エッジエリア８２の温度をそれぞれ異なる温度に保持しつつ、処理空間Ｓにおけるプラズマ発生に伴う入熱を上部電極板８５の図９中、下方表面で均等に受け入れることができ、これによって、ホットスポットの形成を回避することができる。

以上、本発明について、実施の形態を用いて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

１０ 基板処理装置
４０ 複数温度領域分割制御構造体
４１ 第１の温度領域
４２ 第２の温度領域
４３、５３ 第１の媒体流路
４４、５４ 第２の媒体流路
４５ 構造体本体
５１ センターエリア
５２ エッジエリア
５５サセプタ本体
５６、６６、７６、８６ 傾斜材（熱伝導異方性材料層）
７５ デポジットシールド
８５ 上部電極板

Claims (9)

1. 表面温度がそれぞれ異なる温度に制御される２つ以上の領域と、
   前記２つ以上の領域相互間に配置された熱伝導異方性材料層と、を有し、
   前記熱伝導異方性材料層は、前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導率が、前記２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導率よりも小さいことを特徴とする複数温度領域分割制御構造体。
2. 前記熱伝導異方性材料層は、前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導と配列方向に交差する方向における熱伝導との相対的な関係において、前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導に対しては断熱層として機能し、前記２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導に対しては熱伝導層として機能することを特徴とする請求項１記載の複数温度領域分割制御構造体。
3. 前記熱伝導異方性材料層における前記２つ以上の領域の配列方向に沿った熱伝導率に対する前記２つ以上の領域の配列方向に交差する方向における熱伝導率の比が７以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の複数温度領域分割制御構造体。
4. 前記熱伝導異方性材料層は、チタン−カーボン、アルミニウム−カーボンファイバ、チタン−アルミニウム及びガラス状カーボン−カーボンから選択される複合材からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複数温領域分割制御構造体。
5. 前記２つ以上の領域は、熱伝導等方性材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体。
6. 前記複数温度領域分割制御構造体は、前記２つ以上の領域が所定方向に配列された板状体であり、前記熱伝導異方性材料層は、前記板状体を厚さ方向に貫通していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体。
7. 前記２つ以上の領域には、それぞれ温度調整手段が設けられており、前記熱伝導異方性材料層は、隣接する温度調整手段相互間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体。
8. 前記温度調整手段は、熱交換媒体が流通する媒体流路又はペルチェ素子もしくは抵抗加熱体であることを特徴とする請求項７記載の複数温度領域分割制御構造体。
9. 前記複数温度領域分割制御構造体は、基板処理装置の載置台、上部電極板及びデポジットシールドのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の複数温度領域分割制御構造体。

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