JP3167493B2

JP3167493B2 - 圧力制御装置

Info

Publication number: JP3167493B2
Application number: JP06467893A
Authority: JP
Inventors: 庸一上田; 光明小美野; 賢治石川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2016-05-21
Also published as: JPH06252093A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、閉空間内を所定の圧力
に設定する圧力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製造工程においては、被
処理体である例えば半導体ウエハにはエッチング処理等
が繰り返して施される。このエッチング処理は、一般的
には常温近傍の温度下にて行われているが、集積回路の
微細化、高集積化の要請のためにエッチング時における
下地との間における選択比の増大化及び異方性の確保が
一層強く望まれている。このような状況下において、最
近、ウエハを例えば液体窒素を用いて−１５０℃程度の
超低温に冷却しておき、この状態で減圧状態にてエッチ
ング処理を施す、いわゆる低温エッチング処理法が開発
されるに至っている。

【０００３】この低温エッチング処理によれば、例えば
ポリシリコンやシリコン酸化膜のエッチングを行う場合
には下地との間の選択比を従来方法と比較して大幅に大
きくすることができ、しかも異方性も十分に確保できる
ことから例えばコンタクトホールを形成する場合にもホ
ール側壁の角度はなまりもない、９０°に近いシャープ
なホールを形成することができる。このようなエッチン
グ処理を行う装置は、ウエハを保持するサセプタの下方
に例えば冷媒として液体窒素を流す冷却手段を設けてお
き、そして、この冷却手段とサセプタとの間に温度調整
用ヒータを設け、このヒータの発熱量を変化させること
により、冷却手段からウエハに供給される冷熱を制御し
ウエハ温度を制御するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記サセプ
タやヒータ或いは他の部材等を装置内に組み込んだとき
にはこれらの間の接合部に必ず僅かな大きさではあるが
閉空間が発生し、これが冷却手段からウエハまでの熱伝
達径路中に介在するとこの閉空間中に存在する気体の量
乃至圧力に起因して熱抵抗が変化し、上記ヒータによる
発熱量の制御だけではウエハ温度を適正に制御できない
という問題点を有している。このため、図６に示すよう
な閉空間の圧力制御装置が提案されている。すなわち、
制御対象となる閉空間２に例えばマスフローコントロー
ラ４を介在したガス供給系６を接続すると共にこの供給
系６にガス放出用の可変バルブ８を分岐させて接続す
る。

【０００５】そして、閉空間２において期待する熱伝達
係数を得るためにこの閉空間２内を所定の圧力に維持す
べく例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御部１０
によりマスフローコントローラ６や可変バルブ８の開度
を調整しつつ気体を供給し、圧力計１２からの値をフィ
ードバックさせつつ閉空間２内の圧力を所望の値に維持
するようになっている。しかしながら、この種の装置に
あっては、上述のようにフィードバック方式を採用して
いるために全体として構造が複雑になり、コスト上昇を
余儀なくされるばかりか、圧力調整時にオーバシュート
やアンダシュートを繰り返しながら所望の圧力値に落ち
着くような制御であるために圧力値が安定するまでに比
較的長い時間を費やしてしまい、早期に所望の熱伝達係
数が得られないという改善点も有していた。

【０００６】更には、圧力調整時に可変バルブ８に流し
て放出する気体がかなりの量になるためにランニングコ
ストの上昇も余儀なくされていた。また、フィードバッ
クの分解能が低い場合には、微小な圧力調整ができない
という問題点も有していた。本発明は、以上のような問
題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもの
であり、その目的は設定圧力に対応した所定の時間だけ
気体を供給することによりオープン制御で迅速に閉空間
の圧力制御を行うことができる圧力制御装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、半導体製造装置の処理容器内あって、
被処理体をその上面に載置するサセプタとこのサセプタ
の下部に取り付けられる温度調整用ヒータとの間に形成
される閉空間内に気体を供給して前記閉空間内を所定の
圧力に設定する圧力制御装置において、前記閉空間内を
真空引きするための真空排気系と、前記閉空間内に気体
を導入するための気体供給系と、この気体供給系に介設
されてこれに流れる気体の流量を制御する流量制御弁
と、前記閉空間内を所定の圧力に設定するために前記流
量制御弁に前記気体を所定の一定の流量で所定の時間だ
け流す制御部とを備えるようにしたものである。

【０００８】

【作用】上記構成によれば、まず、真空排気系により閉
空間内を真空引きして非常に低い基準圧力に予め設定
し、その後、制御部は気体供給系の流量制御弁を所定の
時間だけ、開状態として所定の流量の気体を一定の流量
で流す。この制御部には、期待する設定すべき閉空間内
圧力と流量との関係（例えば供給時間を一定とする）が
予めテーブル化されて記憶されており、所望する閉空間
圧力に対して流量が一義時に決定される。これにより、
オープン制御により閉空間内圧力を迅速に所定の圧力に
設定することが可能となる。このような閉空間は、半導
体製造装置の処理容器内に組み込まれた部材間に生じる
僅かな隙間である。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係る圧力制御装置の一実施
例について詳述する。図１は本発明の圧力制御装置を示
す構成図、図２は図１に示す装置が適用されたプラズマ
エッチング装置を示す断面図、図３は図２に示す冷却ジ
ャケットの本実施例と従来の構造を比較するための比較
図である。まず、本発明の説明に先立って本発明装置が
適用されるプラズマエッチング装置について説明する。

【００１０】図示するようにこのエッチング装置１４
は、導電性材料、例えばアルミニウム等により円筒或い
は矩形状に成形された処理容器１６を有しており、この
容器１６の底部にはセラミック等の絶縁板１８を介し
て、被処理体、例えば半導体ウエハＷを載置するための
略円柱状の載置台２０が収容されている。この載置台２
０は、アルミニウム等により形成された複数の部材をボ
ルト等（図示せず）により組み付けることにより構成さ
れる。具体的には、この載置台２０は、アルミニウム等
により円柱状に成形されたサセプタ支持台２２と、この
上にボルト（図示せず）により着脱自在に設けられたア
ルミニウム等よりなるサセプタ２４とにより主に構成さ
れている。

【００１１】上記サセプタ支持台２２には、冷却手段、
例えば冷却ジャケット２６が設けられており、このジャ
ケット２６には例えば液体窒素等の冷媒が冷媒導入管２
８を介して導入されてジャケット内を循環し、冷媒排出
管３０より前記液体窒素の蒸発による気体が容器外へ排
出される。従って、この−１９６℃の液体窒素の冷熱が
冷却ジャケット２６からサセプタ２４を介してウエハＷ
に対して供給され、これを所望する温度まで冷却し得る
ように構成される。

【００１２】この冷却ジャケット２６は、図３（Ａ）に
示すように例えば断面矩形状の冷媒溜め２７を有してお
り、その底部内壁面は、ある程度の粗さに加工された核
沸騰伝熱面２７Ａとして構成され、この底部を介して効
率的に冷熱をウエハに向けて供給するようになってい
る。この場合、底部内壁面に核沸騰加工を施すために
は、図３（Ｂ）に示す従来構造のように底部を刳り貫い
て核沸騰伝熱面２７Ａを形成した後に底部を溶接で接合
するか或いは図３（Ａ）に示す本実施例のように上部を
開放しておいて底部内壁面に核沸騰面加工を施した後に
蓋体２９を溶接で接合する場合が考えられる。熱効率を
上げるためには底部よりウエハに向けて形成される熱流
路Ａにおける熱抵抗をできるだけ減らす必要があるが、
底部や蓋体を接合する部分においては溶接代３１Ａにお
いては熱抵抗が小さいが、部材の境界線３１Ｂでは僅か
な隙間のために熱抵抗が大きくなり、従って、熱流路Ａ
の途中においてはできるだけ部材の境界部分を介在させ
ないようにするのが好ましい。そこで、本実施例におい
ては図３（Ａ）に示すように蓋体２９を溶接して溶接代
３１Ａを熱流路Ａからできるだけ外すように構成されて
いる。

【００１３】上記サセプタ２４は、上端中央部が凸状に
なされた円板状に成形され、その中央のウエハ載置部に
は静電チャック３２がウエハ面積と略同じ面積で形成さ
れている。この静電チャック３２は、例えば２枚の高分
子ポリイミドフィルム間に銅箔等の導電膜３４を絶縁状
態で挟み込むことにより形成され、この導電膜３４は電
圧供給リード３６により途中、高周波をカットするフィ
ルタ３８例えばコイルを介して可変直流高電圧源４０に
接続されている。従って、この導電膜３４に高電圧を印
加することによって、チャック３２の上面にウエハＷを
クーロン力により吸引保持し得るように構成される。

【００１４】上記サセプタ２４には、中空に成形された
導体よりなるパイプリード４２がサセプタ支持台２２を
貫通して接続されており、このパイプリード４２には配
線４４を介してマッチング用のコンデンサ４６及び例え
ば１３．５６ＭＨｚまたは４０．６８ＭＨｚ等のプラズ
マ発生用の高周波電源４８が順次接続されている。従っ
て、上記サセプタ２４は下部電極として構成されること
になる。上記サセプタ２４の上方には、これより約１５
〜２０ｍｍ程度離間させて、接地された上部電極５０が
配設されており、この上部電極５０にはガス供給管５２
を介してプロセスガス、例えばＣＦ₄ 等のエッチングガ
スが供給され、上部電極５０の電極表面に形成された多
数の小孔５４よりエッチングガスを下方の処理空間に吹
き出すように構成されている。

【００１５】また、処理容器１６の下部側壁には、排気
管５６が接続されて、処理容器１６内の雰囲気を図示し
ない排気ポンプにより排出し得るように構成されると共
に中央部側壁には図示しないゲートバルブが設けられ、
これを介してウエハの搬入・搬出を行うように構成され
る。

【００１６】そして、上記静電チャック３２と冷却ジャ
ケット２６との間のサセプタ下部には温度調整用ヒータ
５８が設けられる。このヒータ５８は、厚さ数ｍｍ程度
の板状のセラミックスヒータよりなり、このヒータ５８
は、サセプタ支持台２２の上面に図示しないボルト等に
より固定されるヒータ固定台６０の上部にその上面を同
一レベルにして完全に収容される。ヒータ固定台６０
は、熱伝導性の良好な材料例えばアルミニウムにより構
成される。このヒータ５８の大きさは、好ましくはウエ
ハ面積と略同一面積か、それ以上になるように設定され
るのが良く、この下方に位置する冷却ジャケット２６か
らの冷熱がウエハＷに伝導するのを制御してウエハＷの
温度調整を行い得るように構成される。そして、上記ヒ
ータ５８には電力供給リード６２が接続されると共に、
このリード６２には電力源６４が接続されて、所定の電
力をヒータ５８に供給し得るように構成される。尚、こ
の温度調整用ヒータ５８やヒータ固定台６０にはプッシ
ャピン等の貫通する貫通孔（図示せず）等が形成されて
いる。

【００１７】また、プラズマ発生用の高周波の影響を受
け易い各種配線、例えばヒータに接続される電力供給リ
ード６２、静電チャック３２に接続される電圧供給リー
ド３６等はプラズマ用の高周波を供給するパイプリード
４２内に収容されており、外部に対して高周波ノイズの
影響を与えないようになされている。上記パイプリード
４２の処理容器底部の貫通部には絶縁体６６が介設され
て、容器側との電気的絶縁を図っている。

【００１８】そして、サセプタ支持台２２やサセプタ２
４には、これらを貫通してＨｅ等の伝熱促進ガスを部材
界面、例えば静電チャック３２の裏面とサセプタ２４の
上面との間やヒータ５８の上面とサセプタ下面との間に
供給するためのガス通路６８が形成されている。また、
ヒータ固定台６０には、ヒータ５８の上面とサセプタ２
４の収容凹部下面との境界部に上記したガスを供給する
ために、ガス通路６８からの分岐路７０が形成される。

【００１９】これらの部材の境界部分には、必ず僅かな
隙間が形成されてしまい、この境界部分は冷部ジャケッ
ト２６からウエハＷに至る熱流路の途中に介在すること
から境界部分のガス圧力により熱伝達率が変化し、従っ
て、この境界部分の熱伝達率を効果的に制御する必要が
ある。そこで、この境界部分の周辺部には適当数のシー
ル部材７２を介在させて境界部分に僅かな隙間の閉空間
７４、７６を形成し、この閉空間７４、７６に連通する
ガス通路６８に本発明に係る圧力制御装置７８（図１参
照）を接続する。

【００２０】具体的には、この圧力制御装置７８は、上
記閉空間７４、７６内を真空引きするための真空排気系
８０と、上記閉空間７４、７６内に一定の圧力の気体を
導入するための気体供給系８２と、この供給系８２に介
設されてこれに流れる気体の流量を制御する例えばマス
フローコントローラ（ＭＦＣ）のような流量制御弁８４
と、これら部材の動作を制御する、例えばマイクロコン
ピュータのような制御部８６とにより主に構成されてい
る。

【００２１】上記気体供給系８２の端部には、一定の圧
力になされた例えばヘリウム（Ｈｅ）のような熱媒体気
体を収容したガス源８８が接続されており、上記流量制
御部８４の上流側には第１の開閉バルブ９０が、下流側
には第２の開閉バルブ９２がそれぞれ介設されている。
また、第２の開閉バルブ９２の上流側には、圧力計９４
が介在されており、その検出値は制御部８６へ入力され
る。上記真空排気系８０は、第２の開閉バルブ９２の下
流側に接続されており、この排気系８０の端部には、真
空ポンプ９６が接続されると共に、途中には第３の開閉
バルブ９８が介在されている。

【００２２】また、制御部８６には、上記各バルブの動
作時間等を計測するためのタイマ１００が接続されると
共に所望の情報乃至データを予め記憶する例えばＲＯＭ
のような記憶部１０２が接続される。この記憶部１０２
には、ガス源８８から一定の圧力例えば２ｋｇ／ｃｍ²
の気体を所定の減圧下の基準圧力、例えば１Ｔｏｒｒに
なされた上記閉空間７４、７６に一定の時間（時間を固
定した場合）、例えば５秒間だけ供給した時の閉空間の
最終的な圧力と、ＭＦＣの流量との関係を示した図４に
示すようなグラフがテーブル化して予め記憶されてお
り、所定の熱伝達率を得るための所望の閉空間圧力に設
定するようにＭＦＣの弁開度が制御部８６により制御さ
れる。

【００２３】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、図示しないロードロック
室より所定の圧力、例えば、１×１０^-4〜数Ｔｏｒｒ程
度に減圧された処理容器１６内のサセプタ２４の上部に
ウエハＷを載置し、これを静電チャック３２のクーロン
力によりサセプタ２４側へ吸着保持する。そして、上部
電極５０側からプロセスガスを処理空間に流し、上部電
極５０と下部電極（サセプタ）２４との間にパイプリー
ド４２を介して高周波を印加することによりプラズマを
立て、エッチング処理を行う。

【００２４】また、プラズマによる熱で、ウエハが所定
の設定温度よりも過度に加熱されるのでこれを冷却する
ためにサセプタ支持台１０の冷却ジャケット１６に冷
媒、例えば液体窒素を流通させてこの部分を−１９６℃
に維持し、これからの冷熱をこの上部のサセプタ１４を
介してウエハＷに供給し、これを冷却して所望の低温状
態に維持するようになっている。これにより、ウエハＷ
には低温エッチングが施されることになる。冷却ジャケ
ット２６とウエハＷとの間に設けられた温度調整用ヒー
タ５８の発熱量を調整することによりウエハＷを冷却す
る温度を調整し、ウエハＷを所定の温度、例えば−１５
０℃〜１０℃程度に維持する。尚、ヒータの発熱量やジ
ャケット２６内の冷媒の流量を制御することによりウエ
ハ温度を常温以上、例えば６０℃まで上げることができ
る。

【００２５】また、ヒータ５８の発熱量の制御によりウ
エハ温度を適正値に維持するためには、冷却ジャケット
２６からウエハＷに至るまでの熱流路の熱抵抗、取り分
け各部材が接合される界面部分の閉空間７４、７６にお
ける熱伝達率（気体の圧力に対応）を必要に応じて適正
な値に維持する必要がある。この維持操作はウエハに対
する処理を実施するに先立って行われたり或いは、一定
のロット数のウエハ処理が終了して次に異なる温度でウ
エハ処理を行う時に行われたりする。閉空間７４、７６
の熱伝達率は、この空間における気体の種類と圧力とに
より一義的に決定され、その圧力は図４に示すように例
えば流量制御弁（ＭＦＣ）８４の弁開度により変化する
ＭＦＣの流量に依存することになる。

【００２６】閉空間７４、７６内を所望の圧力に設定す
るには、まず、気体供給系８２の第１の開閉バルブ９０
を閉状態とし、流量制御弁８４、第２の開閉バルブ９２
及び真空排気系８０の第３の開閉バルブ９８を開状態と
して真空ポンプ９６を駆動し、閉空間７４、７６を含む
系全体を真空引きして基準圧力、例えば１０^-2Ｔｏｒｒ
程度に維持する。この時の真空引きは制御部８６により
圧力計９４の値をモニタしながら行われる。尚、この基
準圧力は、閉空間圧力として設定されるべき最低圧力値
よりも低い値に設定する。このように系全体が真空度の
高い基準圧力になったならば、第３の開閉バルブ９８を
閉じて真空引きを停止すると共に流量制御弁８４も閉状
態とする。

【００２７】次に、第１の開閉バルブ９０を開状態とす
ると同時に（第２の開閉バルブ９２は開状態）、流量制
御弁８４を適宜開いて所定の流量、すなわち図４におい
て期待する所定の圧力に対応する流量を所定の時間（例
えば５秒間）だけ流し、各バルブ８４、９２、９０を閉
状態とする。これにより閉空間７４、７６には予めテー
ブル化されていたグラフに基づいて決定される流量の気
体が所定時間（５秒間）だけ流入し、閉空間７４、７６
内を所望する圧力に迅速に設定することができる。

【００２８】この時、制御部８６は、記憶部１０２に予
め記憶されていた図４に示すようなグラフに基づいてＭ
ＦＣの弁開度を設定し、ＭＦＣの開時間はタイマ１００
を参照することにより計測する。この時の圧力変化は、
図５に示され、直線Ａは所望の圧力が１０Ｔｏｒｒの場
合の圧力変化を示し、直線Ｂは所望の圧力が５Ｔｏｒｒ
の場合の圧力変化を示し、共に所望の圧力まで直線的に
上昇し、オーバーシュートやアンダーシュートを生ずる
ことなく迅速に閉空間内が設定圧力に制御され、この結
果、早期に期待する熱伝達率を得ることができる。これ
に対し、曲線Ｃは従来制御方法による圧力変化を示し、
オーバーシュートやアンダーシュートが生じて所望の設
定圧力に安定するまではかなりの時間を要する。

【００２９】上記実施例においては、気体の流通時間が
５秒間に設定した場合について説明したが、この時間は
どのような値に設定してもよい。しかしながら、この流
通時間を過度に短く設定すると必要な圧力精度が得られ
なくなる場合が生ずる。また、上記実施例においては、
気体流通時間を５秒間に固定した場合について説明した
が、これに限定されず、例えばＭＦＣの流量を固定にし
て時間を変化させることにより所望の圧力を最終的に得
るようにしてもよい。更に、上記実施例においては、代
表として２つの閉空間７４、７６について説明したが、
熱伝達率を制御すべき全ての閉空間について適用し得る
のは勿論である。

【００３０】また、本実施例においては、図３（Ａ）に
示すように冷却ジャケット２６の冷媒溜め２７を密閉す
る際に蓋体２９を溶接により接合するようにしたので、
冷熱の伝わる熱流路Ａの熱抵抗が図３（Ｂ）に示す従来
構造と比較して小さくなり、冷熱の伝熱効率を上昇させ
ることができる。また使用する冷媒も液体窒素に限ら
ず、他の冷媒、例えば液体ヘリウム、液体水素、液体酸
素等も用いることができる。尚、上記実施例にあって
は、本発明を低温プラズマエッチング装置へ適用した場
合について説明したが、これに限定されず、低温減圧下
にて被処理体を処理する装置、例えばウエハやＬＣＤ等
の電気的特性を低温で検査するプローバ装置や、低温真
空下で試料を観察するための電子顕微鏡等にも適用する
ことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のように優れた作用効果を発揮することができる。本装
置発明によれば、被処理体を載置するサセプタとこの下
部に取り付けられる温度調整用ヒータとの間に形成され
る閉空間に気体を供給する際に、気体供給系から流量制
御弁により流量制御された気体を所定時間だけ供給する
オープン制御にしたので、従来のような構造複雑なフィ
ードバック制御が不要となり安価に提供することができ
る。また、本発明装置によれば、上述のようにオープン
制御が行われるので、オーバーシュートやアンダシュー
トを生ずることなく閉空間内を迅速に所定の圧力に設定
することができる。従って、例えば熱流路の熱伝達率を
早期に安定させることができ、円滑な処理が可能とな
る。また、圧力調整時に気体を系外へ放出する必要がな
いのでランニングコストも削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧力制御装置を示す構成図であ
る。

【図２】図１に示す装置が適用されたプラズマエッチン
グ装置を示す断面図である。

【図３】図２に示す冷却ジャケットの本実施例と従来の
構造を比較するための比較図である。

【図４】図１に示す装置の制御部に記憶される流量と圧
力との関係を示すグラフである。

【図５】本発明装置と従来装置による圧力変化を比較す
るための比較図である。

【図６】従来の圧力制御装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１４エッチング装置１６処理容器２４サセプタ２６冷却ジャケット３２静電チャック４８高周波電源５０上部電極５８温度調整用ヒータ６８ガス通路７４、７６閉空間７８圧力制御装置８０真空排気系８２気体供給系８４流量制御弁８６制御部８８ガス源９６真空ポンプ１０２記憶部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−151027（ＪＰ，Ａ) 特開平４−150937（ＪＰ，Ａ) 特開平４−196528（ＪＰ，Ａ) 特開平４−360528（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 B01J 3/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体製造装置の処理容器内あって、被
処理体をその上面に載置するサセプタとこのサセプタの
下部に取り付けられる温度調整用ヒータとの間に形成さ
れる閉空間内に気体を供給して前記閉空間内を所定の圧
力に設定する圧力制御装置において、前記閉空間内を真
空引きするための真空排気系と、前記閉空間内に気体を
導入するための気体供給系と、この気体供給系に介設さ
れてこれに流れる気体の流量を制御する流量制御弁と、
前記閉空間内を所定の圧力に設定するために前記流量制
御弁に前記気体を所定の一定の流量で所定の時間だけ流
す制御部とを備えたことを特徴とする圧力制御装置。
【請求項２】前記制御部は、供給される前記気体の流
量と前記気体を一定の時間だけ前記閉空間に供給した時
に前記閉空間が到達する最終的な圧力との関係が予め記
憶されている記憶部を有していることを特徴とする請求
項１記載の圧力制御装置。
【請求項３】前記制御部は、供給される前記気体の流
量を固定した場合において供給時間と前記閉空間が到達
する最終的な圧力との関係が予め記憶されている記憶部
を有していることを特徴とする請求項１記載の圧力制御
装置。
【請求項４】前記サセプタは、内部に冷却手段を有す
るサセプタ支持台上に設けられており、前記閉空間は前
記冷却手段から前記被処理体に至る熱流路の途中に介在
するようになされていることを特徴とする請求項１乃至
３のいずれかに記載の圧力制御装置。