JP3043848B2

JP3043848B2 - 処理装置

Info

Publication number: JP3043848B2
Application number: JP3204802A
Authority: JP
Inventors: 聡金子; 太一藤田; 功宏長谷川; 晴雄岡野
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 2000-05-22
Anticipated expiration: 2015-05-22
Also published as: JPH05211136A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空雰囲気で処理する装
置に係り、プロセスチャンバとロードロックチャンバと
の間の断熱構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より真空チャンバ内で半導体ウエハ
に各種処理をほどこす装置が提供されている。特に、半
導体製造プロセスでは、半導体ウエハはエッチング処
理、アッシング処理、成膜処理等において種々の熱的影
響を受ける。

【０００３】例えば、プラズマエッチング装置では、異
方性エッチングを行うため、高温のプラズマが発生し、
プラズマの輻射熱により半導体ウエハが種々の熱損傷を
受ける。このため、サセプタを下部冷却ジャケットによ
り冷却し、半導体ウエハを間接的に冷却する。この場合
に、サセプタは、上面（ウエハ載置面）のみがチャンバ
内の処理雰囲気に露出され、他の部分（側面及び底面）
は処理雰囲気に露出されない。また、サセプタ及び冷却
ジャケットの側面はプロセスチャンバ内に位置し、冷却
部の底面は大気を介してプロセスチャンバに接続されて
いる。

【０００４】サセプタ及び冷却部の側面を覆うチャンバ
は、その側面の周囲にセラミック等の絶縁体を介して配
置され、ＲＩＥ方式のプラズマエッチングの場合にはサ
セプタがＲＦカソードとして使用され、このチャンバ壁
がグランドに設定されている。この場合に、サセプタ／
冷却部と、チャンバ壁との間の熱伝達について何等の配
慮も成されていなかったので、チャンバ壁から冷却部へ
の熱侵入が大きく、ウエハの冷却が不十分になるととも
に、チャンバ壁がかなりの低温度まで温度降下する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、チャンバ壁
が温度降下すると、プラズマエッチング処理中に生じた
種々の反応生成物がチャンバ内壁に付着堆積し、チャン
バ内壁が汚染される。チャンバ内壁が汚染されると、付
着生成物がチャンバ内壁から飛散してウエハに付着し、
処理の歩留りが低下する。また、これをさけるためには
プロセスチャンバのメインテナンス作業を頻繁に行う必
要がある。

【０００６】現状ではウエハ冷却の設定温度は−６０℃
〜−１００℃の程度であるが、さらにウエハの低温処理
化が進み、設定温度が−１５０℃に達することも予定さ
れている。このため、今後益々プロセスチャンバ内壁の
汚染が増大することが予想される。

【０００７】そこで、プロセスチャンバ内壁の汚染防止
を図るために、必要に応じてプロセスチャンバ壁にヒー
タを埋め込み、チャンバ壁を積極的にヒータ加熱してい
る。

【０００８】ところが、この種の減圧処理装置において
は、プロセスチャンバに隣接してロードロックチャンバ
が設けられている。ロードロックチャンバは、排気装置
に連通され、短時間でプロセスチャンバの内圧と同レベ
ルの圧力まで減圧できるようになっている。ロードロッ
クチャンバを経由してウエハをプロセスチャンバ内に出
し入れすることにより、プロセスチャンバ内へのダスト
やパーティクル等の侵入が防止される。

【０００９】通常、プロセスチャンバ及びロードロック
チャンバはアルミ等の金属で構成され、互いのゲートが
対向する位置にて、金属面同士を面接触させてボルト固
定されている。従来のプロセスチャンバを加熱するタイ
プの処理装置にあっては、プロセスチャンバ及びロード
ロックチャンバの金属面同士が面接触しているため、プ
ロセスチャンバ壁側からロードロックチャンバ壁側への
熱移動量が大きくなる。換言すれば熱容量が大きくなる
ためプロセスチャンバ壁を所定温度に加熱するためには
相当のヒーティングパワーと時間を要する。

【００１０】また、プロセスチャンバ壁を所定温度に維
持するための温度制御が極めて困難である。

【００１１】さらに、ロードロックチャンバ内にはウエ
ハ搬送用のロボット構造のウエハハンドリング機構が設
けられており、プロセスチャンバからの伝導熱によりロ
ードロックチャンバの温度が上昇すれはするほど、ハン
ドリング機構の駆動部の摩耗量が増大する。これによ
り、ロードロックチャンバ内に無視できない量のダスト
が発生し、これが半導体ウエハに付着して処理歩留りが
低下する。また、駆動部の摩耗量が増大すると、ハンド
リング機構の寿命が短くなる。

【００１２】本発明の目的は、プロセスチャンバ及びロ
ードロックチャンバ間における熱的相互作用を低減する
ことができる処理装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロードロック
チャンバを経由して被処理体をプロセスチャンバに搬入
し、上記プロセスチャンバの少なくとも内壁を予め定め
られた温度に加熱して、上記被処理体を処理する処理装
置において、上記プロセスチャンバ、ロードロックチャ
ンバの対向面間に断熱部材を設け、上記プロセスチャン
バ、ロードロックチャンバの対向面間では、上記断熱部
材、上記両チャンバのゲート口周囲をシールするシール
部材、上記両チャンバ同士を締結する締結部材の領域以
外では、上記両チャンバー間に間隙を形成したことを特
徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明では、プロセスチャンバ、ロードロック
チャンバの対向面間に断熱部材を介在させているので、
プロセスチャンバを少ない消費電力で高速に温度制御可
能となる。すなわち、両チャンバ間で直接接触する部材
は、この断熱性の高い非金属及びボルト等の締結部材あ
るいは両チャンバのゲート口をシールするシール部材等
となる。もっとも熱伝導性の良好なものは、チャンバの
金属面同士の直接接触による固定熱伝導であるが、本発
明の場合にはチャンバの金属面同士が非接触であり、従
って、反応生成物の付着防止等のためプロセスチャンバ
とロードロックチャンバ間にて効果的な断熱を行うこと
が可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明をマグネトロンプラズマエッチ
ングシステムに用いた例について、添付の図面を参照し
ながら説明する。

【００１６】図１に示すように、マグネトロンプラズマ
エッチングシステムは、プロセスチャンバ１００、二つ
のロードロックチャンバ１３０、及び二つのウエハカセ
ット待機セクション（ローディング／アンローディング
セクション）９０、９１で構成されている。プロセスチ
ャンバ１００は一方のロードロックチャンバから未処理
の被処理体が搬入され、他方のロードロックチャンバへ
被処理体を搬出するよう二つのロードロックチャンバ１
３０の間にレイアウントされている。各ロードロックチ
ャンバ１３０とプロセスチャンバ１００とを互いに仕切
る隔壁には被処理体が通過する開口１４がそれぞれ形成
され、各開口１４はゲートブロック１６により気密に遮
られるようになっている。

【００１７】一方のロードロックチャンバ１３０にはロ
ーディングセクション９０が隣接している。他方のロー
ドロックチャンバ１３０にはアンローディングセクショ
ン９１が隣接している。ローディングセクション９０及
びアンローディングセクション９１に対して１このウエ
ハカセットＷＣがロボット（図示せず）により搬入搬出
されるようになっている。ローディング／アンローディ
ングセクション９０，９１と各ロードロックチャンバ１
３０とを互いに仕切る隔壁には開口１２が形成され、各
開口１２はゲートブロック１６により気密に遮られるよ
うになっている。各ウエハカセットＷＣは２５枚のシリ
コンウエハＷを収納し得る。

【００１８】第１及び第２のローディングチャンバ１３
０内にはハンドリング装置８がそれぞれ設けられ、ハン
ドリング装置８によりシリコンウエハＷがプロセスチャ
ンバ１００内に搬入又は搬出されるようになっている。
なお、排気パイプ１３１の一端が各ロードロックチャン
バ１３０の内部に連通し、パイプ１３１の他端が排気ポ
ンプ（図示せず）の吸引口に連通している。

【００１９】図２に示すように、プロセスチャンバ１０
０内にはＲＩＥ方式のエッチング装置が収納されてい
る。プロセスチャンバ１００のハウジングは、上部フレ
ーム３０及び下部フレーム３２を組み合せてつくられて
いる。絶縁フレーム５６により周囲から絶縁されたサセ
プタ５２，５４が、下部フレーム３２の上に設けられて
いる。上部フレーム３０は接地されており、下サセプタ
５４にＲＦ電源（図示せず）から電力が供給されると、
対向電極が構成される。

【００２０】シリコンウエハＷは、上サセプタ５２の上
面に載置固定される。この載置固定方式としては、例え
ば静電チャック方式が採用される。上サセプタ５２は、
下サセプタ５４に対して着脱可能に固定されている。こ
のように、分離可能な二つのサセプタ５２，５４で構成
している理由は、ＲＦ電源に接続された下サセプタ５４
をメンテナンスフリーとし、汚染された上サセプタ５２
のみを交換可能に構成したものである。なお、下サセプ
タ５４はヒータ５３が例えば埋め込まれている。このヒ
ータ５３は、サセプタ５２上のウエハＷの温度を微調整
するために設けられてる。また、プロセスチャンバ１０
０内壁上に反応ガスが付着するのを防止するための温度
設定するため例えば外筒フレーム３０の下部にヒータ３
１が埋め込まれ、外筒フレーム３０は熱良導体例えばア
ルミニウムで全体が加熱されるようになっている。

【００２１】上サセプタ５２及び下サセプタ５４の側周
面及び底面は絶縁フレーム５６によって覆い隠され、上
サセプタ５２の上面のみがプロセス雰囲気に露出してい
る。なお、上サセプタ５２と絶縁フレーム５６との間に
Ｏリング４０が挿入され、両者間に第１の間隙４２が形
成されている。なお、上下サセプタ５２，５４の側周面
及び絶縁フレーム５６の内周面は、ともに鏡面仕上げさ
れている。また、第１の間隙４２は高真空状態である。

【００２２】絶縁フレーム５６の直下に冷却ジャケット
２０が設けられている。冷却ジャケット２０の内部には
液体チッ素が収容されている。この冷却ジャケット２０
の底部内壁はポーラスに形成され、底部で核沸騰を起こ
すことができ、ジャケット２０内の液体チッ素を−１９
６℃の温度に維持することができる。冷却ジャケット２
０及びヒータ５３によりサセプタ５２上のウエハＷは処
理中において温調例えば−６０℃以下の温度に冷却され
る。

【００２３】複数個の絶縁部材２２が冷却ジャケット２
０と下フレームのボトム３２ｂとの間に挿入され、両者
間に第２の間隙２３が形成されている。一方、下フレー
ムのボトム３２ｂから内筒３２ａが上方に向かって延
び、内筒３２ａにより冷却ジャケット２０及び絶縁フレ
ーム５６がプロセス雰囲気から覆い隠されている。Ｏリ
ング４４が絶縁フレーム５６と内筒３２ａとの間に挿入
され、第３の間隙２４が形成されている。なお、絶縁フ
レーム５６の外周面及び内筒３２ａの内周面は、鏡面仕
上げされている。また、Ｏリング４０，４４はテフロン
等のフッ素系樹脂でつくられている。

【００２４】図３に示すように、冷却ジャット２０を支
持する複数個の絶縁部材２２は相互に離れている。この
ため、上述の第２の間隙２３と第３の間隙２４とは相互
に連通している。なお、第３の間隙２４は、絶縁フレー
ム５６，冷却ジャケット２０のそれぞれと内筒３２ａと
が密着しない程度であれば、狭ければ狭いほど好まし
い。

【００２５】図２に示すように、フレーム３０，３２で
囲まれたプロセス雰囲気内は、第１の排気管３４を介し
て真空排気されるようになっている。一方、第２及び第
３の間隙２３，２４は、第２の排気管３６を介して真空
排気されるようになっている。ウエハの表面近傍に電界
と直交即ちウエハ表面に対して平行な水平磁界が形成さ
れる如く例えばサセプタ５２上のウエハＷと対面する位
置であって、上部フレーム３０の外側上方に、永久磁石
１２２を下面に備えた円盤１２４が配置されている。円
盤１２４の上部にモータ１２６のシャフト１２８が取り
付けられている。円盤１２４に取り付けられた永久磁石
１２２がモータ１２６により回転されると、ウエハＷの
近傍にその面と平行な磁場が形成されるようになってい
る。磁場は電磁石により構成してもよい。

【００２６】プロセスチャンバ１００内のエッチングガ
スは排気パイプ３４を介して排気され、これによりプロ
セスチャンバ１００の内圧が低圧例えば１０^-2〜１０^-3
Torrの範囲になるまで減圧される。エッチングガスは、
上記対向電極間でプラズマ化される。マグネトロンプラ
ズマエッチングでは、磁場と、これに直交するプラズマ
シースの電界の相互作用により、電子がサイクロイド運
動をし、分子に電子が衝突して電離させる回数を増加さ
せる。従って、上述のような低い圧力であっても大きい
エッチング速度が得られる。

【００２７】次に、図４及び図５を参照しながら、ロー
ドロックチャンバ１３０及びプロセスチャンバ１００の
接続部について説明する。図４にはロードロックチャン
バ１３０側の結合面を示す平面図を示し、図５にはプロ
セスチャンバ１００及びロードロックチャンバ１３０を
連結した状態における図４のＶ−Ｖラインの断面図を示
す。

【００２８】ロードロックチャンバ１３０の接合面に臨
んでゲート１７が開口しており、このゲート１７の周囲
にはＯリング用溝１３４が形成されている。ゲート１７
及びＯリング用溝１３４が形成された面をＯリングシー
ル面１３５と称する。このＯリングシール面１３５の周
囲には凹部１４０が形成されている。凹部１４０の底面
には、例えば５箇所に小さい凹所１４２が形成されてい
る。

【００２９】また、小さい凹所１４２には断熱性の高い
セラミックからなる断熱部材１４４が取付け固定されて
いる。この断熱部材１４４には段付き穴１４６が形成さ
れており、断熱部材１４４をロードロックチャンバ１３
０に固定するためのネジ１４８の頭が部材１４４のトッ
プ面より突出しないようになっている。なお、断熱部材
１４４のトップ面がロードロックチャンバ１３０を取付
けるときの基準面となり、この基準面がロードロックチ
ャンバ１３０の接合面において最も突出する面となる。

【００３０】本実施例では、断熱部材１４４のトップ面
を基準面とした場合に、この基準面より前記Ｏリングシ
ール面１３５に至るクリアランスＣ₁は０．１ｍｍであ
り、基準面より凹部１４０の底面に至るクリアランスＣ
₂は５ｍｍである。

【００３１】凹部１４０の周囲にはボルト取付面１５０
が形成され、このボルト取付面１５０には複数のボルト
挿入穴１５２が形成されている。また、基準面よりボル
ト取付面１５０に至るクリアランスＣ₃は１ｍｍであ
る。

【００３２】ボルト取付面１５０の端部には、第１，第
２，第３の位置決め用セラミック部材１５４，１５６，
１５８が設けられている。第１，第２の位置決め用セラ
ミック部材１５４，１５６はボルト取付面１５０の下端
部より下側に突出し、この突出した段差によってプロセ
スチャンバ１００を取付けるときに、上下方向の位置決
めを行うことができる。

【００３３】一方、図４に示すように、第３の位置決め
用セラミック部材１５８はボルト取付け面１５０の右端
部より右側に突出し、この突出した段差によって左右方
向の位置決めを行うことができる。

【００３４】ロードロックチャンバ１３０に連結固定さ
れたプロセスチャンバ１００の接合面１６２は、例えば
ボルト取付面１６４と面一となっている。プロセスチャ
ンバ１００のゲート１６６は、ロードロックチャンバ１
３０のゲート１７と対向する位置に設けられている。な
お、ロードロックチャンバ１３０側には、ゲート１７を
開閉するためのゲートバルブ（図示せず）が設けられて
いる。

【００３５】図５に示すように、プロセスチャンバ１０
０及びロードロックチャンバ１３０の連結は、溝１３５
にＯリング１３６を嵌入し、ボルト１７０及びナット１
７２を用いてなされる。なお、このプラズマエッチング
システムは、プロセスチャンバ１００内にてウエハＷの
エッチング処理を行うためのプログラムを含む各種部材
を備えている。

【００３６】次に、作用について説明する。

【００３７】本実施例のＲＩＥ方式のプラズマエッチン
グ装置では、上チャンバ３０を接地し、上下サセプタ５
２，５４にＲＦ電力を供給することにより対向電極を構
成している。また、ウエハＷと対向する位置であって、
上チャンバ３０の上方にて永久磁石１２２を回転させ、
ウエハＷの近傍にその面と平行な磁場を形成すること
で、マグネトロンエッチング処理雰囲気を形成してい
る。そして、プロセスチャンバ１００内を真空引きした
状態にて、エッチングガスを導入し、上記対向電極間に
エッチングガスによるプラズマを生成する。

【００３８】ここで、上記のマグネトロンプラズマエッ
チングを行うに際して、被処理体であるウエハＷを例え
ば−６０℃程度の温度に冷却している。このために、冷
却ジャケット２０が設けられ、−１９６℃の液体チッ素
を利用して、ウエハＷを冷却している。ここで、ウエハ
Ｗの冷却を行うに際しては、理想的には冷却ジャケット
２０とウエハＷの間でのみ熱交換が行われ、他の部材と
の熱交換を極力抑えることで効率の良いウエハＷの冷却
が可能である。ウエハ温度の微調整はヒータ５３の温度
調整により実行される。このようにすることで、特に、
下チャンバ３２が冷却されることを防止でき、この低温
領域に反応生成物が付着することをも防止することがで
きる。上下サセプタ５２，５４接触面に熱伝導を向上さ
せるため不活性ガスや水素などのガスが導入される。

【００３９】本実施例では、上下サセプタ５２，５４の
側面と、絶縁フレーム５６の内周面との間に第１の間隙
５８を形成し、かつ、下部チャンバ３２の側壁３２ａの
内面側にも、第３の間隙２４を形成することにより、上
下サセプタ５２，５４または冷却ジャケット２０と、下
チャンバ３２との間の熱伝導を真空断熱により防止する
ことができる。

【００４０】さらに、第１の間隙５８と第３の間隙２４
の上端側は、それぞれ第１のＯリング４０及び第２のＯ
リング４４によってシールされ、かつ、第２の排気系３
６によって、上記各間隙５８，２４を真空断熱層として
構成している。この結果、これらの真空断熱層によって
各間隙５８，２４での熱対流をも防止することができ、
効果的な断熱効果を得ることができる。この結果、下部
チャンバ３２の内壁への反応生成物の付着を防止するこ
とができる。

【００４１】さらに、本実施例ではチャンバ内の真空排
気を行う第１の排気系３４とは別に、第２の排気系３６
を設け、この排気系３６によって第２，第３の間隙２
３，２４の真空引きを行っている。この結果、チャンバ
内に飛散する反応生成物は、第１の排気系３４の排気経
路に沿って排気され、各間隙５８，２４に臨む壁面に反
応生成物が侵入し、付着することを防止できる。

【００４２】次に、ロードロックチャンバ１３０とプロ
セスチャンバ１００との間の断熱作用について説明す
る。

【００４３】ウエハＷは、一方のロードロックチャンバ
１３０を経由してプロセスチャンバ１００内に搬入され
る。プロセスチャンバ１００の内壁に反応生成物が付着
することを防止するために、エッチング処理中において
はチャンバ１００の外壁温度が例えば６０℃程度となる
ようにヒータ３１によってチャンバ１００を加熱する。

【００４４】チャンバ１００，１３０の接合面におい
て、両者が直接接触する部材としては、セラミック部材
１４４、Ｏリング１３６、及びボルト１７０のみであ
る。比較的接触面積の広いセラミック部材１４４とし
て、断熱性の良好な部材を採用しているので、このセラ
ミック部材１４４を介しての伝導熱量は金属面同士によ
る伝導熱量と比べて極めて少なくなる。一方、その他の
直接接触部材は、接触面積が比較的狭いので、この部材
１４４を介しての伝導熱量も極めて少なくなる。

【００４５】上述の直接接触部材以外の領域において
は、アルミニウム製のプロセスチャンバ１００とロード
ロックチャンバ１３０の金属面間には間隙１８０が必ず
存在しているので、両者は非接触となっている。従っ
て、この領域では空気による熱対流のみによって熱伝導
が行われ、従来の金属面同士の固体熱伝導に比べて断熱
効果を大幅に高めることができる。

【００４６】上記の実施例では、Ｏリング１３６及びボ
ルト１７０等の締結具を除いて、直接接触する部材を断
熱部材１４４とするものである。この非金属断熱部材１
４４は上記実施例のようなセラミックに限定されるもの
ではなく、非金属に限られず断熱性を有するものてあれ
ばいずれの材料をも選択することができる。なお、ボル
ト１７０による熱伝導を抑えるために、断熱リング等を
採用することもできる。

【００４７】また、本発明はプロセスチャンバとロード
チャンバとを連結して処理を行う各種装置に適用するこ
とができ、上記実施例のようなプラズマエッチング装置
のみに限定されるものではなく、ＣＶＤスパッタ装置な
ど真空を扱う装置であれば何れにも適用できることは言
うまでもない。

【００４８】以上説明したように、本発明によればプロ
セスチャンバとロードロックチャンバとの相互接合面の
断熱効果を高めることにより、プロセスチャンバ加熱用
ヒータの消費電力を低減することができると共に、プロ
セスチャンバの温度制御が容易になる。さらに被処理体
を独立に温調できる。

【００４９】さらに上記実施例では半導体ウエハの処理
について説明したが、被処理体であれば半導体ウエハに
限らずＬＣＤ基板の処理など何れでもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればプ
ロセスチャンバ、ロードロックチャンバの接合面に断熱
部材を設け、両チャンバの金属面同士を非接触とするこ
とで効果的な断熱を行うことができ、反応生成物の付着
防止のためプロセスチャンバを加熱するに際して、その
消費電力を低減できると共に、プロセスチャンバの温度
制御を容易に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るマグネトロンプラズマエ
ッチングシステムを示す全体レイアウト図である。

【図２】マグネトロンプラズマエッチングシステムのプ
ロセスチャンバの概要を示す縦断面図である。

【図３】冷却ジャケットの下面を示す平面図である。

【図４】ロードロックチャンバがプロセスチャンバに対
して接続される部分のうち、ロードロックチャンバの接
続面を示す平面図である。

【図５】ロードロックチャンバがプロセスチャンバに対
して接続される部分を示す部分断面図である。

【符号の説明】

３１ヒータ１００プロセスチャンバ１３０ロードロックチャンバ１４４断熱部材１８０空隙
ＴＥ０３８２０１

フロントページの続き (72)発明者長谷川功宏神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者岡野晴雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭62−98624（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−64428（ＪＰ，Ａ) 特開平１−274428（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/68

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ロードロックチャンバを経由して被処理
体をプロセスチャンバに搬入し、上記プロセスチャンバ
の少なくとも内壁を予め定められた温度に加熱して、上
記被処理体を処理する処理装置において、上記プロセスチャンバ、ロードロックチャンバの対向面
間に断熱部材を設け、上記プロセスチャンバ、ロードロックチャンバの対向面
間では、上記断熱部材、上記両チャンバのゲート口周囲
をシールするシール部材、上記両チャンバ同士を締結す
る締結部材の領域以外では、上記両チャンバー間に間隙
を形成したことを特徴とする処理装置。