JP3263721B2 - 処理装置 - Google Patents

処理装置

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JP3263721B2
JP3263721B2 JP03755293A JP3755293A JP3263721B2 JP 3263721 B2 JP3263721 B2 JP 3263721B2 JP 03755293 A JP03755293 A JP 03755293A JP 3755293 A JP3755293 A JP 3755293A JP 3263721 B2 JP3263721 B2 JP 3263721B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造工程で用い
られる処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体製造工程では、半導体ウエハの表
面に薄膜を形成したり、半導体ウエハの薄膜を除去した
りすることが行なわれており、このような成膜工程及び
除膜工程には減圧CVD装置、スパッタリング装置ある
いはエッチング装置などの処理装置が広く用いられてい
る。例えば、プラズマエッチング装置の場合には、下部
電極の載置台上に半導体ウエハを載置し、上部電極との
間でイオン、ラジカル等の活性種を発生させてエッチン
グ処理を行なうようにしているが、その際、半導体ウエ
ハ及び下部電極が活性種の衝突エネルギーなどでそれぞ
れの温度が上昇するため、下部電極に内蔵された冷却機
構で下部電極を冷却して一定の低温下でエッチング処理
を行なうようにしている。ところが、冷却機構と載置台
間にはこれらの構成部材間の境界に僅かではあるが細隙
が形成され、これらの細隙で冷却機構からの伝熱量が阻
害されるため、各細隙にはHe等の熱伝導性に優れた熱
伝導性ガスを供給して各構成部材間の熱抵抗を下げて載
置台をできるだけ効率良く冷却するようにしている。
【0003】また最近では、半導体デバイスが16MD
RAM、64MDRAMと高集積化し、その配線構造を
形成するにはハーフミクロン、クォータミクロンオーダ
ーの超微細加工が要求されており、それに伴って従来以
上にイオンの方向を揃えて異方性エッチングを達成する
必要から液体窒素などの冷媒を用いて下部電極を−数1
0℃以下の超低温に制御して半導体ウエハを超低温に冷
却する必要が生じて来ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
処理装置は、4MDRAM以前の微細加工、つまり0.
8ミクロンまでのサブミクロンオーダーの設計ルールで
の微細加工に対応することができるが、最近のように1
6MDRAM以降のハーフミクロン、クォータミクロン
オーダーの設計ルールになると上述のように電極を超低
温に維持する必要性が益々必要になるが、従来の処理装
置の電極構造ではその断熱性が十分でなく、電極を超低
温に維持することが困難であり、また、高周波電圧下で
その絶縁性を維持することが難しくなる可能性があり、
微細加工プロセスに対応した処理を精度良く行なうこと
が難しくなるという課題があった。
【0005】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、被処理体の処理時にそれを保持する電極を
超低温に安定的に維持することができると共に電極に印
加する高周波電圧に対して安定した絶縁性を維持するこ
とができ、しかも被処理体を超低温域で所望の温度に制
御することができ、もって16MDRAM以降の高集積
回路に対応した超微細加工を低ダメージで行なうことが
できる処理装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、従来の処理
装置の電極構造の使用材料について詳細に見直した結
果、従来の処理装置の電極はその周囲がアルミナ製のホ
ルダーで被覆されており、しかもアルミナはその熱伝導
率が約21[W/m・K]で、誘電率が約10[1MH
z]という高い値を有しており、このようなことから従
来は電極の断熱性及び高周波電圧下での絶縁性について
十分に配慮されていないことを知見した。従って、本発
明は上記知見に基づいてなされたものである。尚、誘電
率が約10[1MHz]とは、周波数1MHzの電圧を
ホルダーを形成するアルミナに印加してその誘電率を測
定した時に得られた誘電率の値が約10であることを意
味する。従って、[1MHz]は誘電率の測定条件を表
している。
【0007】即ち、本発明の請求項1に記載の処理装置
は、 被処理体を保持する保持体と、この保持体を冷却
する冷却ブロックと、これら両者間に介在し上記保持体
の温度を調整する温度調整機構と、これらを支持する支
持台とを有する電極を備え、上記電極の周面に断熱、絶
縁性材料からなるホルダーを設け、上記電極で被処理体
を保持し、この被処理体を上記冷却ブロックにより冷却
しながら上記温度調整機構を介して所定の温度で処理を
行なう処理装置において、上記冷却ブロックと上 記支持
台間及び上記電極と上記ホルダー間にそれぞれ形成され
た境界細隙に、これらの境界細隙を封止するためにそれ
ぞれ設けられたシール部材と、これらのシール部材を介
して封止された上記各境界細隙から上記電極の外部へ通
じる流通路と、これらの流通路を介して上記各境界細隙
を減圧する排気手段とを備え、且つ、上記ホルダーを熱
伝導率λが2[W/m・K]以下で且つその誘電率εが
5[1MHz]以下の断熱、絶縁性材料によって形成し
ものである。
【0008】また、本発明の請求項2に記載の処理装置
は、請求項1に記載の発明において、上記ホルダーを珪
素酸化物によって形成したものである。
【0009】また、本発明の請求項3に記載の処理装置
は、請求項1または請求項2に記載の発明において、
上記冷却ブロックと上記温度調整機構の間、及び上記温
度調整機構と上記保持体の間にそれぞれ介在する各境界
細隙にそれぞれを封止する第2のシール部材を設けると
共にこれらのシール部材で封止された上記各境界細隙か
ら上記電極の外部へ通じる第2の流通路を延設し、且つ
第2の流通路を介して上記各境界細隙に熱伝導性に優れ
た気体を供給する気体供給源及び第2の流通路を介して
上記各境界細隙を排気する排気手段をそれぞれ設けると
共に上記気体供給源及び排気手段を上記各境界細隙に連
通するように切り替える切替手段を上記流通路に設けた
ものである。
【0010】
【作用】本発明の請求項1ないし請求項3に記載の発明
によれば、切替手段を切り替えて気体供給源を流通路を
介して冷却ブロックと温度調整機構の間、及び温度調整
機構と保持体の間のぞれぞれに介在する各境界細隙に同
時に連通させた後、気体供給源から流通路を介して上記
各境界細隙に熱伝導性に優れた気体を流して各境界細隙
での熱伝導性を高める一方、排気手段により冷却ブロッ
クと支持台間及び電極とホルダー間に形成された各境界
細隙を排気して断熱すると、ホルダーは熱伝導率λが2
[W/m・K]以下で且つその誘電率εが5[1MH
z]以下の断熱、絶縁性材料によって形成されている
め、ホルダーから電極内への入熱を遮断して冷却ブロッ
クにより電極で保持する被処理体を効率良く冷却して所
定の低温を維持することができると共に、電極とその周
辺間の高周波放電を防止し、所定の低温で被処理体に安
定した超微細加工を施すことができる。
【0011】
【実施例】以下、図1に示すプラズマエッチング装置を
例に挙げて本発明を説明する。本実施例の処理装置は、
図1に示すように、例えばアルミニウム等の導電性材料
からなる処理室1と、この処理室1内の底面に配設され
且つ被処理体としての半導体ウエハWを載置した状態で
保持するサセプタ21を備えた下部電極2と、この下部
電極2の上方に例えば15〜20mmの間隔を隔てて配
設された上部電極3とを備えて構成されている。そし
て、上記処理室1には排気装置4が配管41を介して接
続され、この排気装置4によって上記処理室1内を減圧
雰囲気、例えば10−2Torr以下の減圧状態を形成する
ように構成されている。また、上記下部電極2にはブロ
ッキングコンデンサ5、マッチング回路5Aを介して高
周波電源6が接続され、上記高周波電源6の電圧を下部
電極2に印加して接地された上部電極3との間でCF4
等のエッチング用ガスをプラズマ化してイオン、ラジカ
ル等の活性種を生成するように構成されている。更に、
上記上部電極3は中空状に形成され、その上面に中空内
にエッチング用ガスを供給する供給配管3Aが接続さ
れ、また、その下面にエッチング用ガスを噴出する孔3
Bが複数分散形成され、分散した複数の孔3Bからエッ
チング用ガスを処理室1内に供給し、下部電極2と上部
電極3間の放電により生成するイオン、ラジカル等の活
性種により半導体ウエハWをエッチングするように構成
されている。
【0012】次に、上記下部電極2について詳述する。
上記下部電極2は、図1に示すように、半導体ウエハW
を載置するサセプタ21及びこのサセプタ21を冷却す
る冷却機構としての冷却ブロック22と、この冷却ブロ
ック22と上記サセプタ21間に介装された温度調整機
構23と、これらを支承する支持台24と、これらの構
成部材の周囲を囲む本実施例の特徴であるホルダー25
とを備え、上記サセプタ21上に配置され且つ半導体ウ
エハWの大きさに形成された静電チャック26に半導体
ウエハWを静電吸着させた状態で半導体ウエハWを冷却
ブロック22により冷却しながらエッチング処理を行な
うように構成されている。
【0013】そして、上記冷却ブロック22は、冷媒と
して例えば液体窒素Lを貯留する冷媒貯留部22Aと、
この冷媒貯留部22Aに液体窒素Lを供給する冷媒供給
配管22B及び気化した窒素ガスを排出するガス排出配
管22Cとを備えて構成されている。これらの冷媒供給
配管22B及びガス排出配管22Cは、減圧2重管ジョ
イント(図示せず)によって上記処理室1に接続され、
各配管22B、22C内に極力入熱しないように構成さ
れている。また、上記温度調整機構23は、セラミック
ス製のヒータ23Aとこのヒータ23Aを固定、支持す
る支持部材23Bとを備え、半導体ウエハWの冷却温度
に応じて冷却ブロック22からの冷熱の流入の度合を調
整できるように構成されている。また、上記静電チャッ
ク26は、例えばポリイミド系樹脂等の絶縁材料によっ
て形成されたチャックシートの内部に導電膜26Aを有
し、この導電膜26Aに電源により電圧を印加した時に
発生する表面のクーロン力により半導体ウエハWを吸着
するように構成されている。そして、上記サセプタ2
1、冷却ブロック22及びヒータ23Aの支持部材23
Bは熱伝導性の良いアルミニウム等によって形成されて
いる。
【0014】また、本実施例では上記ホルダー25が断
熱、絶縁性材料によって形成されている。この断熱、絶
縁性材料は熱伝導率λが2[W/m・K]以下で且つそ
の誘電率εが5[1MHz]以下からなるものである。
断熱、絶縁性材料の熱伝導率が2[W/m・K]を超え
ると断熱性が十分でなく、エッチング処理時に下部電極
2の周囲からの入熱が大きくなり上記冷却ブロック21
によって半導体ウエハWを安定した超低温に維持するこ
とが困難になる虞があって好ましくない。また、断熱、
絶縁性材料の誘電率εが5[1MHz]を超えると高周
波電圧下での絶縁性が十分でなく放電する可能性があ
り、安定した高周波電圧を印加することが難しくなる虞
があって好ましくない。また、このような断熱、絶縁性
材料としては、例えば、石英ガラス、硼珪酸ガラス等の
無機材料、及びフッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリ
アミドイミド系樹脂、PEEK等の有機材料を挙げるこ
とができる。
【0015】また、上記下部電極2を構成するサセプタ
21、温度調整機構23及び冷却ブロック22それぞれ
の各境界に僅かではあるが境界細隙δ及びδが形成
され、また、上記冷却ブロック22と支持台24の境界
及び上記サセプタ21及びその下方に積層された各構成
部材とこれらを囲むカバー部材25の境界にも僅かな境
界細隙δ及びδが形成されている。そして、本実施
例では、上記下部電極2は内部の冷却ブロック22の冷
熱が上述のように上記ホルダー25によって外部へ伝達
しないように構成され、更に、その各境界細隙δ、δ
、δ及びδを後述のように利用して冷却ブロック
22の冷熱を効果的に利用するように構成されている。
【0016】即ち、上記境界細隙δ、δの各周縁部
にはシール部材27A、27Bがそれぞれ設けられてい
ると共に、これらのシール部材27A、27Bで囲まれ
た上記各境界細隙δ、δから上記下部電極2の外
部、即ち上記処理室1の外部へ通じる流通路28Aが延
設されている。また、上記処理室1の外部には、上記各
流通路28Aを介して上記各境界細隙δ、δに熱伝
導性に優れた気体として例えばHeガスを供給する気体
供給源29A及び上記各流通路28Aを介して上記各境
界細隙を排気する排気ポンプ30Aがそれぞれ設けられ
ていると共に、上記各流通路28Aの連結部には上記気
体供給源28A及び排気ポンプ30Aを上記流通路28
Aを介して境界細隙δ及び/または境界細隙δに連
通するように切り替える三方切替弁31Aが設けられて
いる。そして、この三方切替弁31Aと上記気体供給源
29A及び排気ポンプ30Aとの間の流通路28Aには
開閉弁32Aが配設され、これらの開閉弁32Aによっ
てそれぞれの流通路28Aを開閉するように構成されて
いる。また、上記三方切替弁31A及び開閉弁32Aは
図示しない制御装置によって適宜開閉可能に制御できる
電磁弁によって構成されている。
【0017】また、上記境界細隙δには内部を断熱す
る例えばポリイミド樹脂等の断熱材料からなるシール部
材27Cが設けられ、また、上記境界細隙δの上下両
端部にはシール部材27Dがそれぞれ設けられており、
このシール部材27C及びシール部材27Dによってそ
れぞれの境界細隙δ、δの気密を保持している。そ
して、上記各境界細隙δ、δから上記下部電極2の
外部、即ち上記処理室1の外部へ通じる流通路28Bが
それぞれ延設されている。また、上記処理室1の外部に
は上記各流通路28Bを介して上記各境界細隙δ、δ
を排気する排気ポンプ30Bが設けられ、上記各境界
細隙δ、δは上記流通路28Bに配設された開閉弁
32Bによって所定の減圧状態に適宜制御できるように
構成されている。
【0018】次に、動作について説明する。例えば10
−2Torr以下の減圧状態を形成した処理室1内のサセプ
タ22に半導体ウエハWを載置し、静電チャック26の
クーロン力で半導体ウエハWをサセプタ22上で保持す
る。次いで下部電極2に高周波電圧を印加して上部電極
3との間に放電空間を形成すると共に上部電極3の供給
配管3Aからのエッチング用ガスを孔3Bを介して処理
室1内に供給すると、処理室1内でエッチング用ガスが
プラズマ化し、その活性種によって半導体ウエハWをエ
ッチングする。
【0019】そして本実施例では、石英ガラス等の断
熱、絶縁性材料からなるホルダー25によって冷却ブロ
ック22を外部から断熱してあり、しかも下部電極2に
印加する高周波電圧をホルダー25によって確実に絶縁
してあるため、下部電極2を安定した超低温に維持する
ことができると共に安定した高周波電圧を下部電極2に
印加することができ、上述のエッチング処理に際し、活
性イオンを一方向に揃えて半導体ウエハWに衝突させる
ことができ、16MDRAM以降の設計ルールに即した
超微細加工を低ダメージ状態のまま行なうことができ
る。
【0020】また、この際、気体供給源29A側の開閉
弁32Aを開放すると共に排気ポンプ30A側の開閉弁
32Aを閉止した状態で、三方切替弁31Aを切り替え
て気体供給源29Aを流通路28Aを介してサセプタ2
1と温度調整機構23間の境界細隙δ及び温度調整機
構23と冷却ブロック22間の境界細隙δに連通させ
ると、気体供給源29AからのHeガスがこれら両境界
細隙δ、δに入り込み、冷却ブロック22からサセ
プタ21への熱伝導経路が形成され、ホルダー25の断
熱作用と相俟ってサセプタ21を効率良く冷却して液体
窒素Lの消費量を抑制することができる。また他方の開
閉弁32Bを開放した状態で、排気ポンプ30Bを冷却
ブロック22と支持台24間の境界細隙δ及び上記サ
セプタ21等とこれらを囲むホルダー25間の境界細隙
δに連通させて排気ポンプ30Bを駆動して排気し、
これらの冷却ブロック22の周囲を減圧断熱することに
よって半導体ウエハWを所望の超低温域に制御すること
ができ、低ダメージで16MDRAM以降の高集積回路
に即した超微細加工を行なうことができる。
【0021】以上説明したように本実施例によれば、
導体ウエハWを保持するサセプタ21と、このサセプタ
21を冷却する冷却ブロック22と、これら両者21、
22間に介在しサセプタ21の温度を調整する温度調整
機構23と、これらを支持する支持台とを有する下部電
極2を備え、下部電極2の周面に断熱、絶縁性材料から
なるホルダー25を設け、下部電極2で半導体ウエハW
を保持し、この半導体ウエハWを冷却ブロック22によ
り冷却しながら温度調整機構23を介して所定の温度で
処理を行なう処理装置において、冷却ブロック22と支
持台24間及び下部電極2とホルダー25間にそれぞれ
形成された境界細隙δ 、δ に、これらの境界細隙δ
、δ を封止するためにそれぞれ設けられたシール部
材27C、27Dと、これらのシール部材27C、27
Dを介して封止された境界細隙δ 、δ から上記電極
の外部へ通じる流通路28Bと、これらの流通路28B
を介して境界細隙δ 、δ を減圧する排気ポンプ30
Bとを備え、且つ、ホルダー25を熱伝導率λが2[W
/m・K]以下で且つその誘電率εが5[1MHz]以
下の断熱、絶縁性材料によって形成したため、半導体ウ
エハWをエッチングする時にホルダー25によって下部
電極2を外部から断熱すると共に下部電極2に印加する
高周波電圧を確実に絶縁して放電を防止し、下部電極2
所定の超低温下で維持することができると共に安定し
た高周波電圧を印加することができ、エッチング処理時
に活性イオンを一方向に揃えて半導体ウエハWを16M
DRAM以降の設計ルールに即した超微細加工を低ダメ
ージで行なうことができる。
【0022】また、本実施例によれば、冷却ブロック2
2と温度調整機構23の間、及び温度調整機構23とサ
セプタ21の間にそれぞれ介在する各境界細隙δ 、δ
にそれぞれを封止するシール部材27A、27Bを設
けると共にこれらのシール部材27A、27Bで封止さ
れた各境界細隙δ 、δ から下部電極2の外部へ通じ
る流通路28Aを延設し、且つ流通路28Aを介して各
境界細隙δ 、δ に熱伝導性に優れた気体を供給する
気体供給源29A及び流通路28Aを介して各境界細隙
δ 、δ を排気する排気ポンプ30Aをそれぞれ設け
ると共に気体供給源29A及び排気ポンプ30Aを各境
界細隙δ 、δ に連通するように切り替える三方切替
弁31Aを流通路28Aに設けたため、三方切替弁31
Aを介してシール部材27A、27Bで封止された温度
調整機構23とサセプタ21の間及び/または冷却ブロ
ック22と温度調整機構23の間の各境界細隙δ 、δ
へのHeガスの供給と排気を制御することにより半導
体ウエハWを超低温域で所望の温度に正確且つ迅速に制
御することができ、16MDRAM以降の高集積回路に
即した超微細加工を確実に行なうことができる。
【0023】尚、上記実施例ではプラズマエッチング装
置について説明したが、本発明は上記エッチング装置に
制限されるものでなく、その他のプラスマCVD装置、
スパッタリング装置等の処理装置についても適宜適用す
ることができる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項1
び請求項2に記載の発明によれば、 被処理体を保持す
る保持体と、この保持体を冷却する冷却ブロックと、こ
れら両者間に介在し上記保持体の温度を調整する温度調
整機構と、これらを支持する支持台とを有する電極を備
え、上記電極の周面に断熱、絶縁性材料からなるホルダ
ーを設け、上記電極で被処理体を保持し、この被処理体
を上記冷却ブロックにより冷却しながら上記温度調整機
構を介して所定の温度で処理を行なう処理装置におい
て、上記冷却ブロックと上記支持台間及び上記電極と上
記ホルダー間にそれぞ れ形成された境界細隙に、これら
の境界細隙を封止するためにそれぞれ設けられたシール
部材と、これらのシール部材を介して封止された上記各
境界細隙から上記電極の外部へ通じる流通路と、これら
の流通路を介して上記各境界細隙を減圧する排気手段と
を備え、且つ、上記ホルダーを熱伝導率λが2[W/m
・K]以下で且つその誘電率εが5[1MHz]以下の
断熱、絶縁性材料によって形成したため、被処理体の処
理時にそれを保持する電極を超低温に安定的に維持する
ことができると共に電極に印加する高周波電圧に対して
安定した絶縁性を維持することができ、しかも被処理体
を超低温域に所望の温度に制御することができ、もって
16MDRAM以降の高集積回路に対応した超微細加工
低ダメージで行なうことができる処理装置を提供する
ことを目的としている。
【0025】また、本発明の請求項3に記載の発明によ
れば、請求項1または請求項2に記載の発明において、
上記冷却ブロックと上記温度調整機構の間、及び上記温
度調整機構と上記保持体の間にそれぞれ介在する各境界
細隙にそれぞれを封止する第2のシール部材を設けると
共にこれらのシール部材で封止された上記各境界細隙か
ら上記電極の外部へ通じる第2の流通路を延設し、且つ
第2の流通路を介して上記各境界細隙に熱伝導性に優れ
た気体を供給する気体供給源及び第2の流通路を介して
上記各境界細隙を排気する排気手段をそれぞれ設けると
共に上記気体供給源及び排気手段を上記各境界細隙に連
通するように切り替える切替手段を上記流通路に設けた
ため、切替手段を介して第2のシール部材で封止された
上記冷却ブロックと上記温度調整機構の間及び/または
上記温度調整機構と上記保持体の間の各境界細隙への熱
伝導性気体の供給と排気を制御することにより被処理体
を超低温域で所望の温度に正確且つ迅速に制御すること
ができ、16MDRAM以降の高集積回路に即した超微
細加工を確実に行なうことができる処理装置を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の処理装置の一実施例の構成を示す断面
図である。
【符号の説明】
W 半導体ウエハ(被処理体) 2 下部電極(電極) 22 冷却ブロック(冷却機構) 25 ホルダー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23C 14/50 H01L 21/203

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被処理体を保持する保持体と、この保持
    体を冷却する冷却ブロックと、これら両者間に介在し上
    記保持体の温度を調整する温度調整機構と、これらを支
    持する支持台とを有する電極を備え、上記電極の周面に
    断熱、絶縁性材料からなるホルダーを設け、上記電極で
    被処理体を保持し、この被処理体を上記冷却ブロックに
    より冷却しながら上記温度調整機構を介して所定の温度
    処理を行なう処理装置において、上記冷却ブロックと
    上記支持台間及び上記電極と上記ホルダー間にそれぞれ
    形成された境界細隙に、これらの境界細隙を封止するた
    めにそれぞれ設けられたシール部材と、これらのシール
    部材を介して封止された上記各境界細隙から上記電極の
    外部へ通じる流通路と、これらの流通路を介して上記各
    境界細隙を減圧する排気手段とを備え、且つ、上記ホル
    ダーを熱伝導率λが2[W/m・K]以下で且つその誘
    電率εが5[1MHz]以下の断熱、絶縁性材料によっ
    て形成したことを特徴とする処理装置。
  2. 【請求項2】 上記ホルダーを珪素酸化物によって形成
    したことを特徴とする請求項1に記載の処理装置。
  3. 【請求項3】 上記冷却ブロックと上記温度調整機構の
    間、及び上記温度調整機構と上記保持体の間にそれぞれ
    介在する各境界細隙にそれぞれを封止する第2のシール
    部材を設けると共にこれらのシール部材で封止された上
    記各境界細隙から上記電極の外部へ通じる第2の流通路
    を延設し、且つ第2の流通路を介して上記各境界細隙に
    熱伝導性に優れた気体を供給する気体供給源及び第2の
    流通路を介して上記各境界細隙を排気する排気手段をそ
    れぞれ設けると共に上記気体供給源及び排気手段を上記
    各境界細隙に連通するように切り替える切替手段を上記
    流通路に設けたことを特徴とする請求項1または請求項
    2に記載の処理装置。
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