JP3469942B2 - 矩形基板の冷却方法及び装置 - Google Patents

矩形基板の冷却方法及び装置

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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、反応室（チャンバ）内
減圧下で矩形基板を処理することに関する。特に、本発
明は反応室内減圧下処理中に矩形基板を冷却することに
関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロエレクトロニクス及び他の産業
において、反応室（チャンバ）は種々の臨界及び精密処
理工程を行う周知の有効な手段である。典型的な反応室
は図１に示されている。反応室は、ターボポンプ１８に
よって所望の減圧下で維持される。反応性ガスは、供給
源２０によってチャンバ１０に流し込まれる。高周波発
生器は、チャンバ内に配置される高周波電極２４及び／
又はペデスタル１２に結合される。高周波シグナルは、
反応室内でプラズマを衝突させかつ維持するために用い
られ、ガスを励起するのでガスの反応性が著しく変化す
る。
【０００３】ディスク型基板（図１に示されていない）
は反応室内のペデスタル１２上に配置され、端部締付け
環１３でペデスタルの適切な位置に固定又は維持され
る。ペデスタルは基板の支持台として及び処理中の基板
から熱を吸収するヒートシンクとして設置され、通常は
アルミニウムのような熱導電性金属で形成されている。
ペデスタルが基板から熱を吸収して基板を冷却する間、
水のような流体冷却材でペデスタルが冷却され、この水
は水入口１４を介してペデスタルに供給され、出口１５
から高温でペデスタルを出る。
【０００４】上記の配置(arrangement) による１つの課
題は、微視的規模で、ペデスタル面と基板面との間に実
際にはほとんど熱導電性のない接触面があることであ
る。これは、ペデスタル面の精密製造の不足又は基板面
のミクロ平坦度の不足によるものである。かかる微視的
不一致(mismatch)は、ペデスタルと基板との間に実際の
接触面より莫大な量の空隙を生じる。即ち、ペデスタル
と基板との間の接触が減少すると、基板からペデスタル
への熱移動率が低下する。
【０００５】基板を処理する場合、製造スループット及
び生産性を高めるためにできるだけ速やかに各処理工程
を行うことが好ましい。しかしながら、基板構造及びそ
れに形成された付着物が過度の加熱により損傷しないよ
うに防止するために、かかる処理中基板を冷却すること
も重要である。例えば、基板にパターンをエッチングす
る場合、速やかにエッチングするために高レベルの高周
波電源を用いなければならない。しかしながら、その高
レベルの高周波電源は、エッチングされる基板をマスク
するために用いられるホトレジスト材料を加熱する。ホ
トレジスト材料が過度の加熱を受けると、材料が網状(r
eticulated) になる。即ち、材料がゆがんでしわがよ
り、その後は所望の基板表面パターンをマスクしない。
【０００６】基板の裏面（ペデスタルに接する面）に不
活性冷却流体の静圧を加えることは既知である（例えば
冷却材入口１６により）。基板とペデスタルとの間の空
隙を塞ぐことにより、冷却材は熱伝導媒体(thermal con
duction medium) として作用し、その空隙両端の基板か
らペデスタルに熱が移動する。効果的であるためには、
冷却流体は加圧下で用いなければならず、これにより基
板がペデスタル面からわずかに上がる傾向がある。さも
なければ基板は締付け環で適切な位置に固定される。
【０００７】半導体ウェハのようなディスク型基板の場
合、ドーム型ペデスタルを設置することは既知である。
基板をそれに留める場合、そのペデスタル形状は基板の
ゆがみに打ち消されるが、これは冷却流体により基板に
加えられた裏面の圧力によるものである。球状又は少な
くとも円対称のドーム型ペデスタル形は、基板面両端の
基板とペデスタルとの間で密接かつ一致した接触を促進
することが判明している。適切に設計されると、ペデス
タルと基板との関係が基板とペデスタル面との間の隙間
あるいは空隙を最小にし、かつ、そのことにより基板全
面を冷却しても促進される。
【０００８】遠心チャックでディスク型基板を冷却する
ことも既知である。その装置のペデスタル部分のアーム
上に加熱したディスクが載置される。全部品を高速で回
転させ、そのことによりディスク型基板とペデスタルと
の接触を密接にし、熱移動（冷却）が達成される。この
手法の１つの利点は、冷却媒体を使用する要求をなしに
することである。しかしながら、基板を高速で回転させ
る必要がある機械はかさばり(bulky) 、複雑でかつ高価
であり、所望される多くの用途に有効な配置で基板を維
持しない。
【０００９】多くの品目の製造において、半導体装置を
製造するために用いられる良く知られたディスク型半導
体ウェハ以外の形をもつ基板を用いることは望ましいこ
とである。例えば、ガラスでできた矩形基板はフラット
パネルビデオディスプレイの製造に用いられる。上記の
ように反応室内で処理中にディスク型基板を冷却するこ
とは既知であるが、矩形基板の処理、例えば矩形ガラス
パネルのエッチングは煩雑なものであった。
【００１０】図２（ａ）は、既知の平らなペデスタルの
断面図である。図から分かるように、基板２７はペデス
タル１２のそばにかつ近接して支持される。冷却プロフ
ァイル４９は、３６０mm幅の基板の表面位置に対して基
板温度をプロットするものである。このプロファイル４
９は、基板中央３２から基板端部３１まで基板面両端の
基板相対温度を示すものである。
【００１１】図２（ａ）の冷却プロファイルは、矩形基
板を冷却する技術において重大な問題を示している。即
ち、プラズマ（ドライ）エッチング処理に要する減圧下
で基板温度は過度であり、商業上許容しうるエッチング
速度を達成するために高濃度の高周波電源を用いる場合
許容しえないほど高くなるはずである。ペデスタル１２
が適切に活発に冷却されても、ペデスタルに対する基板
の熱接触が比較的不十分な結果として基板２７の温度は
まだ高すぎ、これは基板面あるいはペデスタル面が完全
に平らでかつ滑らかでない事実に起因する。従って、ペ
デスタル面と基板との間に物理的接触が実際にはほとん
どなく、その為、最小量の熱伝導領域である。
【００１２】この課題の解決法として、図２（ｂ）に示
されているように、基板の端部に基板を固定するクラン
プ１３を用い、基板の後ろに、即ち基板とペデスタル１
２との間に管路１６により幾分は高圧でガスを導入する
ことが可能である。この方法は、熱伝導媒体を供給し、
かつ、そのことにより基板から冷却したペデスタルまで
の熱接触を改善するものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、正味の
効果は容認できるものではない。基板の中央では、冷却
媒体からの裏面の加圧により基板がペデスタルから高く
なり或いは上がり、ペデスタルと基板との間に隙間２３
が生じ、基板の端部より基板の中央に冷却媒体を通じて
より長い距離にわたり熱を伝えることが必要とされる。
【００１４】冷却媒体の熱伝導性がペデスタルより小さ
いので、ペデスタルから最も遠い基板部分はペデスタル
に最も近い基板部分よりゆっくりと冷却する。即ち、プ
ロファイル３０は、基板の中央の温度がわずかに高く、
基板の端部の温度が低い。端部を除く基板全体を反応室
内の処理条件に曝さなければならないので、基板中央を
更に締付けて基板上昇のこの差を避けることは不可能で
ある。
【００１５】矩形基板２７両端の隙間２３の変化を減少
させるために従来技術の球状ドーム型ペデスタルを使用
することは可能である。しかしながら、締付け環２６は
矩形である必要があるので複雑な縦形に機械でつくる必
要がある。より重要なことは、裏面ガスの矩形締付け環
と矩形面は球対称を破壊し、かつ基板内に複雑な応力分
配(stress distribution) を生じ、隙間が半径及び円周
の双方で異なることである。
【００１６】反応室内減圧下で高レベルの高周波エネル
ギーで基板を高温及び／又は温度勾配に曝すという有害
な作用を増やさないで矩形基板を処理することが有効で
ある。しかしながら、これまでそのような条件下で矩形
基板を効率よく冷却する方法は知られていない。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、反応室内減圧
下処理中に矩形基板を冷却する方法及び装置である。本
発明の好ましい実施例は、表面中央線の両側に下向きに
曲がっている勾配を有する凸状の冷却面を有する矩形ペ
デスタルを示すものである。ペデスタル面の中心線は基
板の長さに沿って伸びている。本発明は、基板が片面か
ら圧力を受けるとともに基板の反対面の端部が留められ
ている場合に取る傾向のある自然放物線状に近い滑らか
に曲がっている凸状面を示すものである。更に一般的に
は、本発明は、ペデスタルの円形、楕円形、放物線形及
び他の非円対称形の凸状面を含むものである。更に、滑
らかに曲がっている凸状形は、全く滑らかな連続面から
のずれが１０ミル（0.０１０インチ）未満に維持される
場合には多数の小さなベベル又はステップによって近づ
けることができ、冷却効率に対して得られた妥協は許容
される。
【００１８】
【作用】ペデスタルに留められると(clamped) 、基板は
加圧されペデスタル冷却面の形状と適合する。基板が理
論最少値よりわずかに超えて変形するようにペデスタル
の湾曲を設計すると、基板とペデスタルの欠陥が打ち消
される。即ち、冷却流体の基板への供給に伴う裏面圧の
影響下でさえ基板とペデスタル冷却面とを最も近く接触
させて維持される。このようにして、基板とペデスタル
との間の空隙が最少にされ、その空隙を塞ぐように比較
的高い裏面圧が用いられ、そのことにより空隙両端の基
板からペデスタルまでの熱移動率が増大する。結果とし
て、本発明により高レベルの高周波電源を使用すること
ができるとともに矩形基板の全面に一致して冷却するこ
とができる。
【００１９】
【実施例】本発明は、反応室内減圧下基板処理中に矩形
及び他の非円形基板を冷却する方法及び装置を提供する
ものである。かかる基板冷却は基板全面に一致した方法
で行われ、そのことにより再現性及び生産効率に影響を
及ぼす基板上に高低温スポットを生じる温度勾配が避け
られる。
【００２０】本発明は、２面の各々の平坦度及び平滑度
のわずかな不規則性による水冷却ペデスタルの冷却面と
加熱矩形基板の裏面との微視的不一致の影響を最少にす
る。不活性流体、例えばヘリウムのような基板裏面の冷
却媒体は、２表面の不規則性によって生じた空隙を塞ぐ
ように作用し、かつ、そのことにより基板からペデスタ
ルまでの熱伝導を改善する手段である。
【００２１】本発明の一実施例においては、締付け環で
基板をペデスタルに留めて基板に予応力を加える場合、
ペデスタル形状が基板形状と釣り合うように、プロファ
イルされるペデスタル冷却面と適合して矩形基板が固定
される。即ち、加圧冷却媒体が導入される場合、基板と
ペデスタルとの間に隙間が形成されない。従って、比較
的不均一な隙間及び熱効率のよくない冷却媒体にわたっ
て熱を移動させることは最早必要ない。即ち、本発明は
処理の為に比較的に高いレベルの高周波エネルギーを使
用することを可能にするものである。例えば、本発明に
より電力レベル1.５ワット／cm2 以上をガラス基板上に
用いることができることが判明した。
【００２２】図３は、本発明によるペデスタルと基板と
の関係を示す概略断面図である。図においては、基板２
７は矩形ペデスタル２８に近接して配置される。ペデス
タルは冷却面中心線の両側に下向きに曲がっている冷却
面を有する（示されていない）。本発明の実施例におい
ては、ペデスタルの下向き勾配は放物線形、双曲線形、
正方形又は円筒形（円形）関数(function)又はその関数
の組合わせであってもよい。更に、滑らかに曲がってい
る凸状形は多数の小さなベベル又はステップで近づける
ことができ、ペデスタル冷却効率を幾分は犠牲にするが
(compromises)、全く滑らかな連続面からのずれが１０
ミル（0.０１０インチ）未満に維持される場合には許容
される。
【００２３】冷却媒体は管路１６により基板の裏面に加
圧下で供給される。基板２７は、１個以上の端部クラン
プ１３で冷却媒体の裏面圧に対して適切な位置に固定さ
れる。矢印２６で示される締付け力は、基板が冷却媒体
の圧力でペデスタルから上がる傾向があるので、クラン
プが基板の上向きの力に抵抗することができるように加
えられる。それによりクランプはペデスタル２８に近接
した所望の位置で基板２７を維持する。
【００２４】冷却プロファイル３４は、基板の中央３６
から基板の端部３５まで均一な基板温度を示している。
このようにして、最大高周波エネルギー及び／又は熱が
下記の理由から基板処理中に用いられる。
【００２５】（１）冷却媒体の供給に伴う比較的高い裏
面圧の条件下でさえ、全基板面が熱効率の良いペデスタ
ルに近接して均一にかつ一致して配置される、及び
（２）冷却流体が分配される基板とペデスタルとの間の
空隙数を、基板とペデスタルの表面不規則性の度合いの
みを条件として最少にすることができる。
【００２６】即ち、本発明は基板から熱を最大限に移動
するので、高いレベルの高周波エネルギーの均一な低い
基板温度が可能である。
【００２７】反応室内に処理中に基板を冷却する既知の
手法と異なり、本発明は特に矩形基板を冷却するのに適
応されることが特に注記される。図４は、本発明の特に
好ましい実施例を示す概略斜視図である。
【００２８】図４においては、矩形ペデスタル４２はペ
デスタル冷却面の高さ４７とペデスタル幅４６の関数で
ある通常下向き勾配の凸形を有する（下記式（１）参
照）。ペデスタル４２は、表面を半分に分けた破線で示
されている。凸状ペデスタル冷却面は、中心線４３の両
側に下向きに曲がっている。実際には、曲線は連続した
カーブ（即ち滑らか）であっても滑らかに曲がっている
面に近い一連の極めて小さな階段形状(steps) であって
もよい。更に、曲線は基板等の弾性特性に基づいて幾何
学的関数のいずれか又は組合わせから導かれる。
【００２９】長さ "L"及び幅 "W"を有する矩形基板４８
は、ペデスタル冷却面４４に近接して配置され、基板の
各端部に沿って例えば矢印４５で示される締付けにより
冷却面の形状に適合される。実際の締付けは当業者によ
りほぼ連続的な端部締付けに変更されるが、矢印は好ま
しい締付け配置を示すものであることは理解されるべき
である。
【００３０】本発明の好ましい実施例においては、ペデ
スタル面中心線に平行になる基板の長い辺及び基板がペ
デスタル面に適合される場合湾曲される基板の短い辺を
有するペデスタル冷却面に相対して配置される。この配
置は、ペデスタル冷却面上昇を最少にし、かつそのこと
により基板の表面上の電極間隔の変化を最少にし、反応
室電極の設計及び配置を臨界的でなくするために好まし
い。基板としてガラスを用いる場合、湾曲量は本方法で
制限されない。湾曲に基板の短い端部を用いることによ
り、必要である湾曲が少ないので基板を急に曲げる可能
性が減少する。しかしながら、ある用途では基板の長い
方の辺で基板を湾曲することが好ましいことがある。従
って、かかる配置は本発明の一部であるとみなされる。
【００３１】本発明を実施するに当たり、ペデスタル面
の湾曲量は、裏面に冷却媒体が加える圧力量から生じる
基板湾曲の量よりわずかに大きくなければならない。こ
のようにして、基板がペデスタルから離れてときどき盛
り上がる（基板の性質の正規の変化、ペデスタルの製造
公差、冷却媒体圧制御の正規の変化等による）可能性は
取り除かれる。従って、一致した及び密接な関係が基板
とペデスタルとの間に維持される。
【００３２】円筒面のその最大上昇点において要求され
た最少高さは、次のように求められる： Ｙ＝αｗｂ4 ／Ｅｔ3 （１） 式中、“Ｙ”はペデスタル中央の高さである；“α”は
矩形基板の長さと幅との関係から誘導された定数であ
る；“ｗ”は基板上の均一な圧力負荷であり、低圧反応
室の場合冷却媒体のガス圧である；“ｂ”は基板の幅
（湾曲側）である；“Ｅ”は基板材料の弾性係数であ
る；“ｔ”は基板の厚さである。
【００３３】図５は裏面冷却圧に対してエッチング中加
熱する４種の計算実施例の基板をプロットするグラフで
ある。各々の実施例において、ガラス基板は本発明の教
示に従って水冷却ペデスタルに対して近接した位置に維
持される。即ち、基板は凸状の下向き勾配の非円形ペデ
スタル冷却面に適合される。裏面冷却流体は不活性ガス
であり、下記実施例においてはヘリウムである。下記条
件は下記実施例１〜４の全てについて適用する： チャックの放射率 ０. ５ プレートの放射率 ０. ９２ ヘリウムの収容係数 ０. ５ ガラスの開始温度 ０℃ チャック温度 ０℃ ガラスの比熱 ７９５J/kg-K ガラスの濃度 ２. ７６gm/cc ガラスの厚さ １. １mm ガラスの弾性係数 ９. ８×１０6 PSI 加熱速度 １. ５W/cm2 実施例１ ヘリウムを０. ０１トールの圧力で矩形ガラス基板の裏
面に加える。平均２５ミクロンの隙間が基板とペデスタ
ルとの間に存在すると推測される。得られた冷却曲線３
８を図５に示す。これにより基板冷却は相対的に効率が
良くない（即ち、経時基板温度は約４５０℃に上昇す
る）。
【００３４】実施例２ ヘリウムを０. ２トールの圧力で矩形ガラス基板の裏面
に加える。平均２５ミクロンの隙間が基板とペデスタル
との間に存在すると推測される。得られた冷却曲線３９
を図５に示す。これにより基板冷却は実施例１より改善
される（即ち、経時基板温度は実施例１の約４５０℃に
対して約３７５℃に上昇する）。この基板冷却における
改善は、冷却媒体圧の増加及び冷却媒体の基板からペデ
スタルに熱エネルギーの対応する伝搬能によるものであ
る。
【００３５】実施例３ ヘリウムを１. ０トールの圧力で矩形ガラス基板の裏面
に加える。平均２５ミクロンの隙間が基板とペデスタル
との間に存在すると推測される。得られた冷却曲線４０
を図５に示す。これにより基板冷却は実施例１及び２よ
り更に改善される（即ち、経時基板温度は約１５０℃だ
け上昇する）。破線５０は平均１００ミクロンの隙間の
存在が推測される以外は同一条件を表わしている。本実
施例から、推測される基板とペデスタルとの間の隙間が
増加しても、裏面冷却媒体圧を増加すると基板の冷却が
有効であることがわかる。
【００３６】実施例４ ヘリウムを２. ０トールの圧力で矩形ガラス基板の裏面
に加える。平均２５ミクロンの隙間が基板とペデスタル
との間に維持される。得られた冷却曲線４１を図５に示
す。これにより更に改善された基板冷却が得られる（即
ち、経時基板温度は約７５℃しか上昇しない）。破線５
１は平均１００ミクロンの隙間が基板とペデスタルとの
間に推測されても有効な冷却であること示している。
【００３７】上記実施例は、本発明の重要な特徴を示す
ものである。即ち、基板がペデスタル冷却面形状に適合
されている基板とペデスタルの表面間の一定の最少隙間
（空隙）を固定することにより、冷却媒体の裏面圧が増
加されかつそのことにより冷却率が増大する。
【００３８】本発明は本明細書では好ましい実施例によ
って記載されるが、当業者は本発明の真意及び範囲から
逸脱することなく本明細書に示されたものを他の適用に
置き換えることができることを容易に理解するであろ
う。例えば、基板をガラスに限定する必要がなく、シリ
コン、ＧａＡｓ、各種ポリマー等の反応室内での処理に
適切な材料であってもよいことは当業者は理解すべきで
ある。
【００３９】更に、反応室及び冷却媒体は任意の既知の
種類であってもよく、ペデスタルは水冷却アルミニウム
ペデスタルである必要はなく、これも任意の既知の種類
であってもよい。図に示されている個々のペデスタル配
置は、具体的な説明及び実施例によってのみ示されるも
のである。即ち、ペデスタルの実際の形状は、用いられ
る種々の機械加工／製造法の容易さ及びコスト並びに処
理されるべき基板の性質（例えば弾性係数等）及び基板
の形（例えば正方形、狭い矩形等）に基づいて選ばれ
る。即ち、ペデスタルは勾配をつけて楕円状、放物線状
及び他の非円対称凸状面とされる。
【００４０】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
るので、ペデスタルとの適合形状の基板を維持すること
により高い裏面冷却媒体圧を矩形基板に加えることがで
き、基板面にわたる変化及びペデスタル面の欠陥を打ち
消すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の反応室の概略断面図。
【図２】従来技術のペデスタル及び基板を示す概略断面
図。同図（ａ）は既知の平らなペデスタルの断面図、同
図（ｂ）は矩形基板を冷却するという課題に対して部分
的であるがなお許容できない解決法を示す概略断面図。
【図３】本発明によるペデスタル及び基板を示す概略断
面図。
【図４】本発明の好ましい実施例を示す概略斜視図。
【図５】裏面冷却圧に対してエッチング中加熱している
４実施例の基板をプロットするグラフ。
【符号の説明】
１０…チャンバ、１２…ペデスタル、１３…環（クラン
プ）、１４…水入口、１５…出口、１６…冷却材入口
（管路）、１８…ターボポンプ、２０…供給源、２３…
隙間、２４…高周波発生器、２６…締付け環、２７…基
板、２８…矩形ペデスタル、３２…基板中央、３５…端
部、３６…中央、４２…ペデスタル、４４…ペデスタル
冷却面、４９…プロファイル。
フロントページの続き (72)発明者 ジョン ホワイト アメリカ合衆国， カリフォルニア州 94541， ヘイワード， コロニー ヴ ュウ プレイス 2811 (72)発明者 アルフレッド マク アメリカ合衆国， カリフォルニア州 94587， ユニオン シティ， フェロ ウズ コート 32722 (56)参考文献 特開 平６−302551（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−136314（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−104887（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/68

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 矩形基板の冷却方法であって、 凸状冷却面を有する矩形ペデスタルに近接した基板面を
    有する前記基板を配置する工程であって、前記凸状冷却
    面がペデスタル中心線から下向きに曲がっている、前記
    工程と、 前記基板面と前記ペデスタル面との間の圧力下で冷却媒
    体を供給しながら前記基板を前記冷却面に適合させる工
    程（ｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇ）と、 を備え、 前記基板面と前記冷却面との間の空隙を最小にし、前記
    下向きに曲がっているペデスタル面が、滑らかに曲がっ
    ている面に十分に近い多数のステップ又はベベル勾配
    （ｓｔｅｐｐｅｄｏｒｂｅｖｅｌｅｄｓｌｏｐｅ）であ
    る、方法。
  2. 【請求項２】 前記多数のステップ又はベベル勾配が、
    滑らかに曲がっている面からのずれがあり、それが１０
    ミル（０．０１０インチ）未満である、請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 矩形基板の冷却装置であって、 ペデスタル中心線を有する凸状冷却面を有する矩形ペデ
    スタルであって、前記凸状ペデスタル冷却面が前記ペデ
    スタル中心線から下向きに曲がっている、前記矩形ペデ
    スタルと、 前記基板を前記冷却面に近接した基板面で配置し、もっ
    て、前記基板を前記冷却面に適合させる手段と、 加圧下で前記基板面に供給される冷却媒体と、 を含み、 前記基板面と前記冷却面との間の空隙を最小にし、前記
    下向きに曲がっているペデスタル面が、滑らかに曲がっ
    ている面に十分に近い多数のステップ又はベベル勾配で
    ある、装置。
  4. 【請求項４】 前記多数のステップ又はベベル勾配が滑
    らかに曲がっている面からのずれがあり、それが１０ミ
    ル（０．０１０インチ）未満である、請求項３記載の装
    置。
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