JP4236329B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空処理室内の載置台上でたとえば半導体ウエハ等の被処理基板にプラズマを利用した処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、エッチング、ＣＶＤ、スパッタリング等の諸工程で処理ガスのイオン化や化学反応等を促進するために、プラズマが利用されている。 一般に、プラズマを用いる処理装置では、真空の処理室内に載置台を設置し、該載置台上で半導体ウエハに処理を施すようにしている。
【０００３】
図３に、従来の典型的なプラズマ処理装置の構成を模式的に示す。この処理装置では、真空チャンバからなる処理室200内の中央部に支持台202を介して載置台204が設置される。被処理基板たとえば半導体ウエハＷは、円盤状に形成された載置台204の主面つまり載置面204ａの上に載置される。
【０００４】
この種の載置台204は、半導体ウエハＷを静電力で吸着して保持するための静電吸着（チャック）機能を備える。この処理装置では、載置台204の少なくとも載置面204ａ付近の上部を絶縁材で構成して、その中に電極206を設けている。そして、処理室200の外に設けられた直流電源208より適当な電圧値の直流電圧を電極206に供給して、載置面204ａと半導体ウエハＷとにそれぞれ極性の異なる静電気を発生させ、その静電力で載置面204ａに半導体ウエハＷを吸着保持させる。
【０００５】
処理室200内において、プラズマＰは、載置台204の上方で適当な方法により作られ、半導体ウエハＷの表面付近に導かれる。一方、処理室200内には所定の処理ガスも導入される。この導入された処理ガスの分子がプラズマＰで励起されることにより、成膜またはエッチング等の微細加工が促進される。
【０００６】
ここで、載置台204の電極206に高周波電圧を印加すると、プラズマＰ中のイオンや電子をウエハ表面に垂直に入射させて、微細加工に方向性（異方性）をもたせ、加工精度を上げることができる。この高周波バイアスのため、処理室200の室外に通常13.5MHzの高周波電源210を設けている。
【０００７】
載置台204は、円盤または円柱状に形成された支持部材202の上面にＯリング212を介して設置される。Ｏリング212の内側の隙間214は処理室200内の減圧された処理空間から遮断されており、室外から載置台204への電源ライン等は支持部材202に形成されている貫通孔（図示せず）とこの隙間214を通って引かれている。
【０００８】
支持部材202は熱伝導性の部材たとえばアルミニウムブロックからなり、内部に冷媒通路202ａを有している。処理室200の室外に設けられた冷却装置（図示せず）より配管（図示せず）を介して所定温度（たとえば25゜Ｃ）の冷媒（たとえば水）が冷媒通路202ａに供給され、支持部材202全体がこの温度に維持される。
【０００９】
半導体ウエハＷを介して載置台204に入熱したプラズマエネルギーは、載置台204から隙間214を介して支持部材202へ伝わり、そこで冷媒に吸収され、冷却装置によって室外へ放熱される。この放熱機構により、平衡状態で載置台204の温度を所定の設定温度（通常は200゜Ｃ以下の温度）に温調することができる。
【００１０】
ここで、載置台204の設定温度を通常200゜Ｃ以下とするのは、載置台204の裏面に接するＯリング212が一般に樹脂製のもので、その耐熱温度がせいぜい200゜Ｃであるためである。
【００１１】
このように、載置台204の設定温度を200゜Ｃ以下とすることで、載置台204と半導体ウエハＷとの間に大きな温度差が生まれる。一般のプラズマ処理では、ウエハ温度を400゜Ｃ付近に設定するので、両者間に200゜Ｃ前後の温度差を設けることになる。この温度差分の温度降下は両者間の接触面ないし隙間の熱抵抗で生じる。
【００１２】
なお、載置台204の内部に抵抗発熱体（図示せず）を設け、温度フィードバック機能（図示せず）により該抵抗発熱体の発熱量を電気的に制御することも行なわれている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来のプラズマ処理装置においては、支持部材202側からの冷却さらには内蔵の抵抗発熱体の加熱による温調で載置台204についてはかなり高い精度で設定温度に制御することができる。
【００１４】
しかしながら、最終的な（本来の）温度制御対象である半導体ウエハＷについては、半導体ウエハＷと載置台204との間の温度差が大きいため、プラズマの変動やウエハ固体間のばらつき等を精細な熱応答で補償して安定かつ均一に設定温度に制御することは難しい。
【００１５】
また、半導体ウエハＷと載置台204との間の温度差が大きいことから、プリヒート時間つまり半導体ウエハＷを載置台204上に載置してからプラズマＰの入射熱によりウエハの温度を処理開始可能な温度（設定温度）に上げるまでの所要時間が長く、スループットを上げることも難しい。
【００１６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被処理基板に対する温度制御の制御性（応答性、安定性、均一性等）を改善して加工品質を向上させるようにしたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明の別の目的は、被処理基板を載置台上に載置してから処理を開始するまでのプリヒート時間を短縮化して、スループットを上げられるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、所定の真空度に減圧された処理室内で被処理基板に対してプラズマを利用した所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理室内に配設された前記被処理基板を載置するための主面を有する載置台と、前記載置台の側面または裏面に気密に接合される上端部を有し、前記載置台を支持するとともに、前記載置台の裏面側に前記処理室の処理空間から遮断され大気に連通可能な大気室を形成する筒状の支持部材と、前記大気室内で前記載置台に熱的に結合された第１の熱伝動性ブロックを有し、前記載置台を介して前記基板の温度を制御するために前記第１の熱伝動性ブロックを冷却する第１の冷却部と、前記支持部材の下端部と前記処理室の底板部との間に気密に配設された第２の熱伝動性ブロックを有し、前記載置台から独立して前記支持部材の温度を制御するために前記第２の熱伝動性ブロックを冷却する第２の冷却部とを有する。
【００１９】
上記の構成においては、処理室の底板部と載置台との間に筒状の支持部材が気密に設けられので、処理室の処理空間（特に載置台の上方空間）を大気圧空間から気密に遮断して、所望の真空圧力に減圧可能とし、プラズマ生成およびプラズマ処理を可能とする。そして、支持部材の内側に形成される大気室内で第１の冷却部が第１の熱伝動性ブロックを所望の温度に冷却することによって、それと熱的に結合された載置台を介して基板の温度制御が行われる。たとえば、基板の設定温度（たとえば４００℃）より少しだけ低い温度（たとえば３５０℃）に載置台の温度に制御することができる。一方で、第２の冷却部が支持部材の下端部に接続された第２の熱伝動性ブロックを所望の温度に冷却することによって、支持部材を基板温度よりも格段に低い温度（たとえば室温付近）に制御することができる。
【００２０】
このように、載置台の設定温度を被処理基板の温度に近づけられることで、プラズマの変動やウエハ個体間のばらつき等を良好な熱応答で迅速かつ精細に補償して、ウエハ温度を安定かつ均一に設定値に制御することができ、ひいてはプラズマ処理の加工品質を向上させることができる。さらには、被処理基板を載置台に載置してから処理を開始するまでのプリヒート時間の短縮化も可能となり、スループットを改善することができる。一方で、支持部材の温度を被処理基板や載置台とは独立に制御するので、たとえば支持部材の温度を室温付近に制御することで、支持部材ないしその下端部付近の部材の熱的な変質・劣化を防止することができる。
【００２１】
本発明の好適な一態様においては、第１の冷却部が、前記第１の熱伝動性ブロックの中に設けられた冷媒通路に所望の第１の温度に温調された冷媒を供給する第１の冷媒供給部を有する。また、第２の冷却部が、第２の熱伝動性ブロックの中に設けられた冷媒通路に所望の第２の温度に温調された冷媒を供給する第２の冷媒供給部を有する。
【００２２】
また、本発明のプラズマ処理装置は、載置台の中に設けられた電極と、この電極に被処理基板に対する静電吸着力を発生させるための電圧を大気室を経由して給電する静電吸着用電圧給電部とを有する構成を好適に採ることができる。
【００２３】
別の好適な一態様として、本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板にプラズマ中のイオンを引き込むための高周波電圧を大気室を経由して上記電極に給電する高周波電圧給電部を有する。
【００２４】
別の好適な一態様として、本発明のプラズマ処理装置は、載置台の中に設けられ、電力を熱に変換する発熱体と、発熱体に大気室を経由して電熱用の電力を給電する電熱用電力給電部とを有する。また、被処理基板の温度を制御するための不活性ガスを載置面上に案内するよう載置台に設けられたガス通路と、載置台のガス通路に大気室を経由して不活性ガスを供給する温度制御用ガス供給部とを有する。かかる構成においては、発熱体による加熱と第１の冷却部による冷却との温調で載置台をより高温かつ高精度に制御することができる。
【００２５】
本発明の好適な一態様においては、載置台および支持部材がそれぞれセラミックス体で構成され、固相接合によって互いに接合される。かかる構成によれば、Ｏリングを使用せずに載置台と支持部材とを気密に接続できるので、安定性および耐久性に優れた組立体を得ることができる。
【００２６】
本発明の好適な一態様においては、第２の熱伝動性ブロックが、支持部材の下端部と第１のＯリングを介して気密に接続され、処理室の底板部と第２のＯリングを介して気密に接続される。本発明によれば、第２の冷却部により第２の熱伝動性ブロックおよびその付近の部材（つまり支持部および処理室の底板部）が冷却されるので、プラズマからの熱でＯリングが変質劣化するおそれはなく、安定性および耐久性に優れた着脱可能な真空封止構造が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２８】
図１に、本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置の全体構成を模式的に示す。
【００２９】
このプラズマ処理装置は、所望の真空度に減圧可能な処理空間を有する真空チャンバからなる処理室10と、この処理室10に連通して設けられたプラズマ発生室12と、このプラズマ発生室12にマイクロ波透過窓14を介して接続された導波管16とを有している。
【００３０】
導波管16の端部にマイクロ波発生器、たとえばマグネトロン18が設けられている。マグネトロン18より所定のパワー（たとえば２ｋＷ）で発生された2.45GHzのマイクロ波ＭＷは、導波管16および透過窓14を通ってプラズマ発生室12に導かれる。
【００３１】
プラズマ発生室12には、外部のプラズマ用ガス供給源（図示せず）より配管20を介してプラズマ用ガスたとえばＡｒも導入される。この室12の周囲にはマグネットコイル22が巻かれている。
【００３２】
プラズマ発生室12内では、マグネットコイル22による磁界の中でマイクロ波ＭＷがプラズマ用ガスに入射し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の作用で高密度なプラズマＰが生成される。生成されたプラズマＰは、下方の処理室10に導かれる。
【００３３】
処理室10内には、その中央部に円盤形状の載置台24が設置されている。この載置台24は、処理室10の底面に気密に接続されている略円筒状の支持部材26によって支持されている。
【００３４】
本実施例では、載置台24および支持部材26のいずれも固相接合に適したセラミックス体たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、後述するように両者は強固かつ気密に接合している。
【００３５】
処理室10の側壁に設けられたゲートバルブ（図示せず）を介して室内に搬入された被処理基板たとえば半導体ウエハＷは、載置台24の主面つまり載置面24ａの上に載置される。
【００３６】
載置台24の内部には、載置面24ａに近接した上部位置に薄膜またはシート状の電極28が埋設されている。後述するように、この電極28には静電吸着用の直流電圧とプラズマ引き込み用の高周波電圧とが給電される。
【００３７】
また、載置台24の内部には、電極28よりも奥（下）の位置に、高融点金属たとえばモリブデンやタングステン等からなる抵抗発熱体30も設けられている。後述するように、この抵抗発熱体30には電熱用の電力が給電される。
【００３８】
処理室10内には、外部の処理ガス供給源（図示せず）より配管32を介して所要の処理ガス（ＣＶＤの場合、たとえばＳｉＨ4等）が供給される。処理室10内の処理空間に導入された処理ガスの分子は、プラズマＰによって励起されることで、活発に化学反応または物理反応を起こし、ウエハ表面に膜を堆積し、あるいはウエハ表面をエッチングする。
【００３９】
その際、載置台24の電極28に高周波電圧が印加されることで、プラズマＰ中のイオンや電子が半導体ウエハＷに引き込まれ、プラズマの入射熱さらには反応熱で半導体ウエハＷが加熱される。そして、加熱された半導体ウエハＷより載置台24側へ熱が流れる。
【００４０】
本実施例では、略円筒状の支持部材26の内側が処理室10の処理空間から遮断され大気に連通可能な大気室になっており、その大気室内に載置台24を所定の温度で冷却するための後述する冷却機構たとえば冷却ジャケットが設けられている。この冷却ジャケットによる冷却と載置台24に内蔵の抵抗発熱体30による加熱との温調で、載置台24は、半導体ウエハＷの設定温度たとえば400゜Ｃより少し低い設定温度たとえば350゜Ｃ付近に維持されるようになっている。
【００４１】
支持部材26の下端は開口しており、処理室10の下に設けられた外付けユニット34に連通している。外付けユニット34には、この処理装置の運転制御に必要な制御回路、電源、ガス供給源、冷却装置、支持ピン昇降機構等が設けられている。外付けユニット34内の空間は常時大気に開放されていてよく、あるいは扉式で必要時に大気に開放されるものであってもよい。
【００４２】
処理室10は、たとえばその底面に形成された１個または複数個の排気孔に接続された配管36を介して真空ポンプ（図示せず）に通じている。この真空ポンプによる排気で処理室10の室内、より正確には支持部材26の内側の大気室を除く処理空間が当該プラズマ処理に必要な所定の真空度に減圧されるようになっている。
【００４３】
図２に、このプラズマ処理装置における要部の構成を示す。
【００４４】
支持部材26の内側に形成されている大気室38において、冷却ジャケット40は、円盤状の熱伝導性部材たとえばアルミニウムブロックからなり、熱伝導性シート部材たとえばカーボンシート42を介してその上面を載置台24の裏面にぴったり押し付けた状態で設置されている。
【００４５】
冷却ジャケット40の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒通路40ａが設けられている。この冷媒通路40ａには、外付けユニット34に設けられている冷却装置44より配管46を介して所定温度（たとえば25゜Ｃ）の冷媒（たとえば水）Ｆが供給される。
【００４６】
冷却ジャケット40には、冷媒通路40ａを避けた部位に、載置台24側へ電力線、センス線、ガス供給管等を通すための複数の貫通孔が形成されている。
【００４７】
冷却ジャケット40の中心部に設けられた貫通孔には絶縁性のガス供給管48が通されている。このガス供給管48の上端開口と対向して載置台24の中心部にもガス通路用の貫通孔24ａが設けられている。
【００４８】
処理中には、外付けユニット34に設けられている不活性ガス供給部50よりガス供給管48および貫通孔24ａを介してウエハ温度制御用の不活性ガスたとえばＨｅガスが半導体ウエハＷの裏面に供給される。
【００４９】
載置台24の載置面24ａは適当なパターンで凹凸面に形成されていてよく、不活性ガスはその凹凸面の凹（溝）部を伝わって半導体ウエハＷの裏面に広く行き渡る。この不活性ガスのガス圧を制御して載置台24と半導体ウエハＷとの間の隙間または接触面の熱抵抗を可変制御し、半導体ウエハＷの温度を調節することができる。
【００５０】
載置台24の貫通孔24ａの上端部には、半導体ウエハＷの温度を検出するための温度センサ52が孔24ａより少しはみ出た状態で設けられている。この温度センサ52の出力端子は、貫通孔24ａおよびガス供給管48に遊挿されている導体棒ないしセンス線54に電気的に接続されている。センス線54は、大気室38を通って外付けユニット34側の温度制御部56に送られる。温度制御部56は、温度センサ52からの温度検出信号に基づいて所定のフィードバック制御方式たとえばＰＩＤ制御方式により不活性ガス供給部50におけるガス供給の流量または圧力を制御する。
【００５１】
載置台24に埋設されている電極28は双極吸着方式により一対の電極片28Ａ，28Ｂに分割されている。これら一対の電極片28Ａ，28Ｂには、静電吸着用の直流電圧とプラズマ引き込み用の高周波電圧とを給電するための導線または導体棒58、60がそれぞれ電気的に接続されている。
【００５２】
これらの導線58、60は、冷却ジャケット40の貫通孔に挿嵌されている絶縁シース62、64の中をそれぞれ通って大気室38に引き出され、大気室38を通って外付けユニット34側の静電吸着用直流電源66およびブラズマ引き込み用高周波電源68に電気的に接続されている。
【００５３】
直流電源66は、所定の電圧値で一方の電極片28Ａに正極の電圧を、他方の電極片28Ｂに負極の電圧をそれぞれ供給する。高周波電源68は、13.56MHzの高周波電圧をたとえば２ｋＷのパワーでマッチングボックス70を介して両電極片28Ａ，28に供給する。
【００５４】
載置台24に埋設されている抵抗発熱体30の両端子には電熱用の電力線72、74が電気的に接続されている。これらの電力線72、74は、冷却ジャケット40の貫通孔に挿嵌されている絶縁シース76、78の中をそれぞれ通って大気室38に引き出され、大気室38を通って外付けユニット34側のたとえば200Ｖ交流電源からなるヒータ電源80に電気的に接続されている。
【００５５】
載置台24には載置台温度検出用の温度センサ82も埋込式または接触式で取り付けられている。この温度センサ82の出力端子には、冷却ジャケット40の貫通孔に挿嵌されている絶縁シース84の中を通ってセンス線または導体棒86が電気的に接続されている。このセンス線86は、大気室38を通って外付けユニット34側の温度制御部88に電気的に接続されている。温度制御部88は、温度センサ82からの温度検出信号に基づいて所定のフィードバック制御方式たとえばＰＩＤ制御方式によりヒータ電源80における電力の出力（供給）量を制御する。
【００５６】
なお、センス線54、86、導線58、60および電力線72、74等の電線類は絶縁被覆されたケーブルであってよい。
【００５７】
載置台24の周縁部には複数個所たとえば3箇所に貫通孔24ｂが設けられており、半導体ウエハＷの受け渡し時にはこれらの貫通孔24ｂからそれぞれ支持ピン（図示せず）が載置面24ａよりも高い位置まで突出するようになっている。
【００５８】
支持部材26は、その上端面が載置台24の裏面の上記貫通孔24ｂより内側の部位に固相接合により気密に接合している。
【００５９】
本実施例では、たとえば特許第２７８３９８０号に開示されるセラミックス体用の固相接合法を用いるのが好ましい。この固相接合法によるセラミックス体（本例ではＡｌＮ）同士の固相接合においては、両接合体（24、26）の接合界面に沿って接合助剤の原子の豊富な層が存在して、該接合界面の両側に延びるようにセラミックス粒子が粒成長しており、接合部分の気密性が高く、強度も接合部分以外の部分と同等以上になっている。接合助剤は、両接合体（24、26）の材質（ＡｌＮ）と同一であってもよく、あるいはイットリウム化合物等でもよい。
【００６０】
かかる固相接合体は、たとえば、接合すべき各セラミックス体の各接合面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を0．2μｍ以下とし、平面度を0．2μｍ以下とし、それら接合面の少なくとも一方の上に接合助剤の溶液を塗布し、次いで各接合面を当接させた状態で各セラミックス体を熱処理することによって得られる。なお、熱処理の処理温度は、当該セラミックス体の燒結温度をＴ゜Ｃとしたとき、（Ｔ−50）゜Ｃ以上であればよい。
【００６１】
支持部材26の下端部は、中心開口部90ａを有するリング状の下部冷却ジャケット90を介して処理室10の底面に気密に接続されている。支持部材26の下端面がＯリング92を介して下部冷却ジャケット90の上面周縁部に載り、円周方向に適当な間隔を置いて複数個のボルト94が支持部材26の下端肉厚部を介して下部冷却ジャケット90の対応するねじ穴にねじ込まれていることで、支持部材26はＯリング92を介して下部冷却ジャケット90と気密に接続している。
【００６２】
一方、下部冷却ジャケット90の下面周縁部がＯリング96を介して処理室10の底板部10ｂの上面に載り、円周方向に適当な間隔を置いて裏側から複数個のボルト98が底板部10ｂを介して下部冷却ジャケット90の対応するねじ穴にねじ込まれていることで、下部冷却ジャケット90はＯリング96を介して処理室10の底板部10ｂとも気密に接続している。
【００６３】
このように、本実施例における支持部材26は、略円筒状の形体を有し、その上端部にて載置台24の裏面に固相接合により気密に接合し、その下端部にて下部冷却ジャケット90およびＯリング92、96を介して処理室10の底板部10ｂに気密に接続されている。かかる気密な遮蔽構造により、処理室10内の処理空間は支持部材26の内側の大気室38からも、外付けユニット34側の大気圧空間からも気密に遮断され、所望の真空度に減圧可能となっている。
【００６４】
なお、本実施例の支持部材26においては、応力を緩和するために、その上端部および中間部にそれぞれ内側にくびれる屈曲部26ａ、26ｂが形成されている。
【００６５】
処理室10の底板部10ｂにも、下部冷却ジャケット90の中心開口部90ａと対応する位置に中心開口部10ｃが形成されている。上記した支持部材26の内側の大気室38と外付けユニット34とはこれらの開口部90ａ、10ｃを介して互いに大気圧下で連通している。また、外付けユニット34からの電線、配管類は全てこれらの開口部90ａ、10ｃを通って大気室38内へ引かれる。
【００６６】
下部冷却ジャケット90の上面には円周方向に適当な間隔を置いて複数個のざぐり穴が形成されており、これらのざぐり穴に圧縮コイルバネ100を介して垂直支持棒102が立設されている。各垂直支持棒102の上端は各圧縮コイルバネ100の弾性力で大気室38内の上部冷却ジャケット40の裏面に押し付けられている。
【００６７】
このように、上部冷却ジャケット40ひいてはその上の載置台24が、垂直支持棒102および圧縮コイルバネ100を介して下部冷却ジャケット90に支持され、ひいては処理室10の底板部10ｂに支持されている。かかる内部支持機構により、載置台24の重量を支えるための支持部材26の負担が軽減されている。
【００６８】
冷却ジャケット90の内部には円周方向に延在する冷媒通路90ｂが形成されている。この冷媒通路90ｂには、外付けユニット34の冷却装置44より配管104を介して所定温度（たとえば25゜Ｃ）の冷媒（たとえば水）Ｆが供給される。
【００６９】
上記したように、このプラズマ処理装置では、真空処理室10内において半導体ウエハＷの載置台24を略円筒状の密閉式支持部材26で支持し、この密閉式支持部材26の内側に形成される大気室34の中に冷却ジャケット40を配設して載置台24を所定温度で冷却する。冷却ジャケット40に対する冷媒の供給は大気室34を経由して行う。また、載置台24内の電極28や抵抗発熱体30に対する静電吸着用電圧およびプラズマ引き込み用電圧の給電等、電気系統の配線も全て大気室34を経由して行う。
【００７０】
このように、大気圧下に載置台冷却用の冷却ジャケット40を設置したり、ガス管や電線類を引けることは、装置設計・製作が容易になるだけでなく、装置メンテナンスの点でも便利である。
【００７１】
また、このプラズマ処理装置では、支持部材26が載置台24に対しては固相接合により気密に接合し、支持部材26の下端側で支持部材26と下部冷却ジャケット90との間の気密な接続、および下部冷却ジャケット90と処理室10との間の気密な接続にそれぞれＯリング90、96が用いられる。
【００７２】
ここで、Ｏリング90、96は下部冷却ジャケット90の温度（25゜Ｃ）で冷却されるため、熱で変質劣化するおそれはない。
【００７３】
したがって、これらのＯリング90、96の耐熱温度（通常200゜Ｃ以下）に何ら律則されることなく、載置台24の設定温度を任意に、好ましくは半導体ウエハＷの設定温度（たとえば400゜Ｃ）より少し低い値（たとえば350゜Ｃ）に選ぶことができる。
【００７４】
このように、載置台24の設定温度を半導体ウエハＷの設定温度に近づけることで、プラズマの変動やウエハ固体間のばらつき等を良好な熱応答で迅速かつ精細に補償して、ウエハ温度を安定かつ均一に設定値に制御することができ、ひいてはプラズマ処理の加工品質を向上させることができる。さらには、半導体ウエハＷを載置台24に載置してから処理を開始するまでのプリヒート時間の短縮化も可能となり、スループットを改善することができる。
【００７５】
また、支持部材26を熱伝導性のセラミック体で構成し、かつその下端部を下部冷却ジャケット90に熱結合させているので、載置台24からの熱の相当部分を支持部材26および下部冷却ジャケット90を介して室外へ放出することが可能であり、冷却効率を高めることができる。
【００７６】
なお、支持部材26のサイズ、特に高さ寸法は、支持部材26における熱伝導で消費されるべき熱量から決定される。たとえば、載置台24の設定温度と下部冷却ジャケット90の設定温度との温度差をΔＴ（゜Ｃ）、載置台24に対するプラズマ入射熱の熱量をＪ（ワット）、支持部材26の熱抵抗をλ（゜Ｃ／ワット）とすると、ΔＴとＪが既知の値（設計値）で与えられるので、次の式（１）から熱抵抗λが求まる。
【００７７】
ΔＴ=λ・Ｊ ‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
【００７８】
熱抵抗λは支持部材26の材質の熱伝導率（固有値）と横断面積（設計値）と長さつまり高さとで決まる。したがって、熱抵抗λと熱伝導率と横断面積のそれぞれの値を基に支持部材26の所要高さを求めることができる。
【００７９】
上記した実施例では支持部材26をＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成した。しかし、窒化珪素等の他のセミックス体でも可能である。処理室10の処理空間で劣化することなく、載置台24との気密な接合が可能であり、さらに好ましくは熱伝導率の高いものであれば、任意の材質を支持部材26に用いることが可能である。
【００８０】
支持部材26の形状は円筒体に限るものではなく、角筒体でもよい。上記した実施例では支持部材26と処理室10の壁部との間に下部冷却ジャケット90を介設したが、処理室10の壁部を所定温度で温調する機構を設け、支持部材26を処理室10の壁部に直接熱結合させて接続する構成としてもよい。また、上記した実施例では支持部材26を載置台24の裏面に接合したが、載置台24の側面に接合する構成も可能である。
【００８１】
支持部材26の内側の大気室38内の構成も種種の変形・変更が可能である。載置台24と冷却ジャケット40との間では任意の熱結合が可能であり、たとえば熱伝導シート42を省いて隙間にしてもよい。冷却ジャケット40に使用する冷媒の種類または温度は種種選択可能であり、下部冷却ジャケット90と異なる冷媒（温度）または冷却装置を使用してもよい。また、冷却ジャケット40をこれと異なる構造または冷却方式の冷却手段で置き換えることもできる。
【００８２】
上記実施例における載置台24の構成は一例であり、種種の載置台構造を採ることができる。たとえば、電極28を単一（単極）構造としてもよい。また、ウエハ温度制御用の不活性ガス通路や載置台温度制御用の発熱体を備えない載置台構造であってもよい。
【００８３】
上記実施例ではＥＣＲ方式でプラズマを生成したが、他のプラズマ生成法たとえば平行平板方式、マグネトロン方式、マイクロ波方式等も使用可能である。被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、ＬＣＤ基板、ガラス基板等であってもよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、被処理基板に対する温度制御を改善してプラズマ処理の加工品質およびスループットの向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】実施例のプラズマ処理装置の要部の構成を示す図である。
【図３】従来のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
10 処理室
12 プラズマ発生室
24 載置台
26 支持部材
30 抵抗発熱体
34 外付けユニット
40 冷却ジャケット
42 熱伝導シート
44 冷却装置
46、48 配管
50 不活性ガス供給部
58、60 導線
72、74 電力線
80 ヒータ電源
90 下部冷却ジャケット
92、96 Ｏリング
100 圧縮コイルバネ
102 支持棒
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空処理室内の載置台上でたとえば半導体ウエハ等の被処理基板にプラズマを利用した処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、エッチング、ＣＶＤ、スパッタリング等の諸工程で処理ガスのイオン化や化学反応等を促進するために、プラズマが利用されている。 一般に、プラズマを用いる処理装置では、真空の処理室内に載置台を設置し、該載置台上で半導体ウエハに処理を施すようにしている。
【０００３】
図３に、従来の典型的なプラズマ処理装置の構成を模式的に示す。この処理装置では、真空チャンバからなる処理室200内の中央部に支持台202を介して載置台204が設置される。被処理基板たとえば半導体ウエハＷは、円盤状に形成された載置台204の主面つまり載置面204ａの上に載置される。
【０００４】
この種の載置台204は、半導体ウエハＷを静電力で吸着して保持するための静電吸着（チャック）機能を備える。この処理装置では、載置台204の少なくとも載置面204ａ付近の上部を絶縁材で構成して、その中に電極206を設けている。そして、処理室200の外に設けられた直流電源208より適当な電圧値の直流電圧を電極206に供給して、載置面204ａと半導体ウエハＷとにそれぞれ極性の異なる静電気を発生させ、その静電力で載置面204ａに半導体ウエハＷを吸着保持させる。
【０００５】
処理室200内において、プラズマＰは、載置台204の上方で適当な方法により作られ、半導体ウエハＷの表面付近に導かれる。一方、処理室200内には所定の処理ガスも導入される。この導入された処理ガスの分子がプラズマＰで励起されることにより、成膜またはエッチング等の微細加工が促進される。
【０００６】
ここで、載置台204の電極206に高周波電圧を印加すると、プラズマＰ中のイオンや電子をウエハ表面に垂直に入射させて、微細加工に方向性（異方性）をもたせ、加工精度を上げることができる。この高周波バイアスのため、処理室200の室外に通常13.5MHzの高周波電源210を設けている。
【０００７】
載置台204は、円盤または円柱状に形成された支持部材202の上面にＯリング212を介して設置される。Ｏリング212の内側の隙間214は処理室200内の減圧された処理空間から遮断されており、室外から載置台204への電源ライン等は支持部材202に形成されている貫通孔（図示せず）とこの隙間214を通って引かれている。
【０００８】
支持部材202は熱伝導性の部材たとえばアルミニウムブロックからなり、内部に冷媒通路202ａを有している。処理室200の室外に設けられた冷却装置（図示せず）より配管（図示せず）を介して所定温度（たとえば25゜Ｃ）の冷媒（たとえば水）が冷媒通路202ａに供給され、支持部材202全体がこの温度に維持される。
【０００９】
半導体ウエハＷを介して載置台204に入熱したプラズマエネルギーは、載置台204から隙間214を介して支持部材202へ伝わり、そこで冷媒に吸収され、冷却装置によって室外へ放熱される。この放熱機構により、平衡状態で載置台204の温度を所定の設定温度（通常は200゜Ｃ以下の温度）に温調することができる。
【００１０】
ここで、載置台204の設定温度を通常200゜Ｃ以下とするのは、載置台204の裏面に接するＯリング212が一般に樹脂製のもので、その耐熱温度がせいぜい200゜Ｃであるためである。
【００１１】
このように、載置台204の設定温度を200゜Ｃ以下とすることで、載置台204と半導体ウエハＷとの間に大きな温度差が生まれる。一般のプラズマ処理では、ウエハ温度を400゜Ｃ付近に設定するので、両者間に200゜Ｃ前後の温度差を設けることになる。この温度差分の温度降下は両者間の接触面ないし隙間の熱抵抗で生じる。
【００１２】
なお、載置台204の内部に抵抗発熱体（図示せず）を設け、温度フィードバック機能（図示せず）により該抵抗発熱体の発熱量を電気的に制御することも行なわれている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来のプラズマ処理装置においては、支持部材202側からの冷却さらには内蔵の抵抗発熱体の加熱による温調で載置台204についてはかなり高い精度で設定温度に制御することができる。
【００１４】
しかしながら、最終的な（本来の）温度制御対象である半導体ウエハＷについては、半導体ウエハＷと載置台204との間の温度差が大きいため、プラズマの変動やウエハ固体間のばらつき等を精細な熱応答で補償して安定かつ均一に設定温度に制御することは難しい。
【００１５】
また、半導体ウエハＷと載置台204との間の温度差が大きいことから、プリヒート時間つまり半導体ウエハＷを載置台204上に載置してからプラズマＰの入射熱によりウエハの温度を処理開始可能な温度（設定温度）に上げるまでの所要時間が長く、スループットを上げることも難しい。
【００１６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、被処理基板に対する温度制御の制御性（応答性、安定性、均一性等）を改善して加工品質を向上させるようにしたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明の別の目的は、被処理基板を載置台上に載置してから処理を開始するまでのプリヒート時間を短縮化して、スループットを上げられるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、所定の真空度に減圧された処理室内で被処理基板に対してプラズマを利用した所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記処理室内に配設された前記被処理基板を載置するための主面を有する載置台と、前記載置台の側面または裏面に気密に接合される上端部を有し、前記載置台を支持するとともに、前記載置台の裏面側に前記処理室の処理空間から遮断され大気に連通可能な大気室を形成する筒状の支持部材と、前記大気室内で前記載置台に熱的に結合された第１の熱伝動性ブロックを有し、前記載置台を介して前記基板の温度を制御するために前記第１の熱伝動性ブロックを冷却する第１の冷却部と、前記支持部材の下端部と前記処理室の底板部との間に気密に配設された第２の熱伝動性ブロックを有し、前記載置台から独立して前記支持部材の温度を制御するために前記第２の熱伝動性ブロックを冷却する第２の冷却部とを有する。
【００１９】
上記の構成においては、処理室の底板部と載置台との間に筒状の支持部材が気密に設けられので、処理室の処理空間（特に載置台の上方空間）を大気圧空間から気密に遮断して、所望の真空圧力に減圧可能とし、プラズマ生成およびプラズマ処理を可能とする。そして、支持部材の内側に形成される大気室内で第１の冷却部が第１の熱伝動性ブロックを所望の温度に冷却することによって、それと熱的に結合された載置台を介して基板の温度制御が行われる。たとえば、基板の設定温度（たとえば４００℃）より少しだけ低い温度（たとえば３５０℃）に載置台の温度に制御することができる。一方で、第２の冷却部が支持部材の下端部に接続された第２の熱伝動性ブロックを所望の温度に冷却することによって、支持部材を基板温度よりも格段に低い温度（たとえば室温付近）に制御することができる。
【００２０】
このように、載置台の設定温度を被処理基板の温度に近づけられることで、プラズマの変動やウエハ個体間のばらつき等を良好な熱応答で迅速かつ精細に補償して、ウエハ温度を安定かつ均一に設定値に制御することができ、ひいてはプラズマ処理の加工品質を向上させることができる。さらには、被処理基板を載置台に載置してから処理を開始するまでのプリヒート時間の短縮化も可能となり、スループットを改善することができる。一方で、支持部材の温度を被処理基板や載置台とは独立に制御するので、たとえば支持部材の温度を室温付近に制御することで、支持部材ないしその下端部付近の部材の熱的な変質・劣化を防止することができる。
【００２１】
本発明の好適な一態様においては、第１の冷却部が、前記第１の熱伝動性ブロックの中に設けられた冷媒通路に所望の第１の温度に温調された冷媒を供給する第１の冷媒供給部を有する。また、第２の冷却部が、第２の熱伝動性ブロックの中に設けられた冷媒通路に所望の第２の温度に温調された冷媒を供給する第２の冷媒供給部を有する。
【００２２】
また、本発明のプラズマ処理装置は、載置台の中に設けられた電極と、この電極に被処理基板に対する静電吸着力を発生させるための電圧を大気室を経由して給電する静電吸着用電圧給電部とを有する構成を好適に採ることができる。
【００２３】
別の好適な一態様として、本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板にプラズマ中のイオンを引き込むための高周波電圧を大気室を経由して上記電極に給電する高周波電圧給電部を有する。
【００２４】
別の好適な一態様として、本発明のプラズマ処理装置は、載置台の中に設けられ、電力を熱に変換する発熱体と、発熱体に大気室を経由して電熱用の電力を給電する電熱用電力給電部とを有する。また、被処理基板の温度を制御するための不活性ガスを載置面上に案内するよう載置台に設けられたガス通路と、載置台のガス通路に大気室を経由して不活性ガスを供給する温度制御用ガス供給部とを有する。かかる構成においては、発熱体による加熱と第１の冷却部による冷却との温調で載置台をより高温かつ高精度に制御することができる。
【００２５】
本発明の好適な一態様においては、載置台および支持部材がそれぞれセラミックス体で構成され、固相接合によって互いに接合される。かかる構成によれば、Ｏリングを使用せずに載置台と支持部材とを気密に接続できるので、安定性および耐久性に優れた組立体を得ることができる。
【００２６】
本発明の好適な一態様においては、第２の熱伝動性ブロックが、支持部材の下端部と第１のＯリングを介して気密に接続され、処理室の底板部と第２のＯリングを介して気密に接続される。本発明によれば、第２の冷却部により第２の熱伝動性ブロックおよびその付近の部材（つまり支持部および処理室の底板部）が冷却されるので、プラズマからの熱でＯリングが変質劣化するおそれはなく、安定性および耐久性に優れた着脱可能な真空封止構造が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２を参照して本発明の実施例を説明する。
【００２８】
図１に、本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置の全体構成を模式的に示す。
【００２９】
このプラズマ処理装置は、所望の真空度に減圧可能な処理空間を有する真空チャンバからなる処理室10と、この処理室10に連通して設けられたプラズマ発生室12と、このプラズマ発生室12にマイクロ波透過窓14を介して接続された導波管16とを有している。
【００３０】
導波管16の端部にマイクロ波発生器、たとえばマグネトロン18が設けられている。マグネトロン18より所定のパワー（たとえば２ｋＷ）で発生された2.45GHzのマイクロ波ＭＷは、導波管16および透過窓14を通ってプラズマ発生室12に導かれる。
【００３１】
プラズマ発生室12には、外部のプラズマ用ガス供給源（図示せず）より配管20を介してプラズマ用ガスたとえばＡｒも導入される。この室12の周囲にはマグネットコイル22が巻かれている。
【００３２】
プラズマ発生室12内では、マグネットコイル22による磁界の中でマイクロ波ＭＷがプラズマ用ガスに入射し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の作用で高密度なプラズマＰが生成される。生成されたプラズマＰは、下方の処理室10に導かれる。
【００３３】
処理室10内には、その中央部に円盤形状の載置台24が設置されている。この載置台24は、処理室10の底面に気密に接続されている略円筒状の支持部材26によって支持されている。
【００３４】
本実施例では、載置台24および支持部材26のいずれも固相接合に適したセラミックス体たとえばＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、後述するように両者は強固かつ気密に接合している。
【００３５】
処理室10の側壁に設けられたゲートバルブ（図示せず）を介して室内に搬入された被処理基板たとえば半導体ウエハＷは、載置台24の主面つまり載置面24ａの上に載置される。
【００３６】
載置台24の内部には、載置面24ａに近接した上部位置に薄膜またはシート状の電極28が埋設されている。後述するように、この電極28には静電吸着用の直流電圧とプラズマ引き込み用の高周波電圧とが給電される。
【００３７】
また、載置台24の内部には、電極28よりも奥（下）の位置に、高融点金属たとえばモリブデンやタングステン等からなる抵抗発熱体30も設けられている。後述するように、この抵抗発熱体30には電熱用の電力が給電される。
【００３８】
処理室10内には、外部の処理ガス供給源（図示せず）より配管32を介して所要の処理ガス（ＣＶＤの場合、たとえばＳｉＨ4等）が供給される。処理室10内の処理空間に導入された処理ガスの分子は、プラズマＰによって励起されることで、活発に化学反応または物理反応を起こし、ウエハ表面に膜を堆積し、あるいはウエハ表面をエッチングする。
【００３９】
その際、載置台24の電極28に高周波電圧が印加されることで、プラズマＰ中のイオンや電子が半導体ウエハＷに引き込まれ、プラズマの入射熱さらには反応熱で半導体ウエハＷが加熱される。そして、加熱された半導体ウエハＷより載置台24側へ熱が流れる。
【００４０】
本実施例では、略円筒状の支持部材26の内側が処理室10の処理空間から遮断され大気に連通可能な大気室になっており、その大気室内に載置台24を所定の温度で冷却するための後述する冷却機構たとえば冷却ジャケットが設けられている。この冷却ジャケットによる冷却と載置台24に内蔵の抵抗発熱体30による加熱との温調で、載置台24は、半導体ウエハＷの設定温度たとえば400゜Ｃより少し低い設定温度たとえば350゜Ｃ付近に維持されるようになっている。
【００４１】
支持部材26の下端は開口しており、処理室10の下に設けられた外付けユニット34に連通している。外付けユニット34には、この処理装置の運転制御に必要な制御回路、電源、ガス供給源、冷却装置、支持ピン昇降機構等が設けられている。外付けユニット34内の空間は常時大気に開放されていてよく、あるいは扉式で必要時に大気に開放されるものであってもよい。
【００４２】
処理室10は、たとえばその底面に形成された１個または複数個の排気孔に接続された配管36を介して真空ポンプ（図示せず）に通じている。この真空ポンプによる排気で処理室10の室内、より正確には支持部材26の内側の大気室を除く処理空間が当該プラズマ処理に必要な所定の真空度に減圧されるようになっている。
【００４３】
図２に、このプラズマ処理装置における要部の構成を示す。
【００４４】
支持部材26の内側に形成されている大気室38において、冷却ジャケット40は、円盤状の熱伝導性部材たとえばアルミニウムブロックからなり、熱伝導性シート部材たとえばカーボンシート42を介してその上面を載置台24の裏面にぴったり押し付けた状態で設置されている。
【００４５】
冷却ジャケット40の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒通路40ａが設けられている。この冷媒通路40ａには、外付けユニット34に設けられている冷却装置44より配管46を介して所定温度（たとえば25゜Ｃ）の冷媒（たとえば水）Ｆが供給される。
【００４６】
冷却ジャケット40には、冷媒通路40ａを避けた部位に、載置台24側へ電力線、センス線、ガス供給管等を通すための複数の貫通孔が形成されている。
【００４７】
冷却ジャケット40の中心部に設けられた貫通孔には絶縁性のガス供給管48が通されている。このガス供給管48の上端開口と対向して載置台24の中心部にもガス通路用の貫通孔24ａが設けられている。
【００４８】
処理中には、外付けユニット34に設けられている不活性ガス供給部50よりガス供給管48および貫通孔24ａを介してウエハ温度制御用の不活性ガスたとえばＨｅガスが半導体ウエハＷの裏面に供給される。
【００４９】
載置台24の載置面24ａは適当なパターンで凹凸面に形成されていてよく、不活性ガスはその凹凸面の凹（溝）部を伝わって半導体ウエハＷの裏面に広く行き渡る。この不活性ガスのガス圧を制御して載置台24と半導体ウエハＷとの間の隙間または接触面の熱抵抗を可変制御し、半導体ウエハＷの温度を調節することができる。
【００５０】
載置台24の貫通孔24ａの上端部には、半導体ウエハＷの温度を検出するための温度センサ52が孔24ａより少しはみ出た状態で設けられている。この温度センサ52の出力端子は、貫通孔24ａおよびガス供給管48に遊挿されている導体棒ないしセンス線54に電気的に接続されている。センス線54は、大気室38を通って外付けユニット34側の温度制御部56に送られる。温度制御部56は、温度センサ52からの温度検出信号に基づいて所定のフィードバック制御方式たとえばＰＩＤ制御方式により不活性ガス供給部50におけるガス供給の流量または圧力を制御する。
【００５１】
載置台24に埋設されている電極28は双極吸着方式により一対の電極片28Ａ，28Ｂに分割されている。これら一対の電極片28Ａ，28Ｂには、静電吸着用の直流電圧とプラズマ引き込み用の高周波電圧とを給電するための導線または導体棒58、60がそれぞれ電気的に接続されている。
【００５２】
これらの導線58、60は、冷却ジャケット40の貫通孔に挿嵌されている絶縁シース62、64の中をそれぞれ通って大気室38に引き出され、大気室38を通って外付けユニット34側の静電吸着用直流電源66およびブラズマ引き込み用高周波電源68に電気的に接続されている。
【００５３】
直流電源66は、所定の電圧値で一方の電極片28Ａに正極の電圧を、他方の電極片28Ｂに負極の電圧をそれぞれ供給する。高周波電源68は、13.56MHzの高周波電圧をたとえば２ｋＷのパワーでマッチングボックス70を介して両電極片28Ａ，28に供給する。
【００５４】
載置台24に埋設されている抵抗発熱体30の両端子には電熱用の電力線72、74が電気的に接続されている。これらの電力線72、74は、冷却ジャケット40の貫通孔に挿嵌されている絶縁シース76、78の中をそれぞれ通って大気室38に引き出され、大気室38を通って外付けユニット34側のたとえば200Ｖ交流電源からなるヒータ電源80に電気的に接続されている。
【００５５】
載置台24には載置台温度検出用の温度センサ82も埋込式または接触式で取り付けられている。この温度センサ82の出力端子には、冷却ジャケット40の貫通孔に挿嵌されている絶縁シース84の中を通ってセンス線または導体棒86が電気的に接続されている。このセンス線86は、大気室38を通って外付けユニット34側の温度制御部88に電気的に接続されている。温度制御部88は、温度センサ82からの温度検出信号に基づいて所定のフィードバック制御方式たとえばＰＩＤ制御方式によりヒータ電源80における電力の出力（供給）量を制御する。
【００５６】
なお、センス線54、86、導線58、60および電力線72、74等の電線類は絶縁被覆されたケーブルであってよい。
【００５７】
載置台24の周縁部には複数個所たとえば3箇所に貫通孔24ｂが設けられており、半導体ウエハＷの受け渡し時にはこれらの貫通孔24ｂからそれぞれ支持ピン（図示せず）が載置面24ａよりも高い位置まで突出するようになっている。
【００５８】
支持部材26は、その上端面が載置台24の裏面の上記貫通孔24ｂより内側の部位に固相接合により気密に接合している。
【００５９】
本実施例では、たとえば特許第２７８３９８０号に開示されるセラミックス体用の固相接合法を用いるのが好ましい。この固相接合法によるセラミックス体（本例ではＡｌＮ）同士の固相接合においては、両接合体（24、26）の接合界面に沿って接合助剤の原子の豊富な層が存在して、該接合界面の両側に延びるようにセラミックス粒子が粒成長しており、接合部分の気密性が高く、強度も接合部分以外の部分と同等以上になっている。接合助剤は、両接合体（24、26）の材質（ＡｌＮ）と同一であってもよく、あるいはイットリウム化合物等でもよい。
【００６０】
かかる固相接合体は、たとえば、接合すべき各セラミックス体の各接合面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を0．2μｍ以下とし、平面度を0．2μｍ以下とし、それら接合面の少なくとも一方の上に接合助剤の溶液を塗布し、次いで各接合面を当接させた状態で各セラミックス体を熱処理することによって得られる。なお、熱処理の処理温度は、当該セラミックス体の燒結温度をＴ゜Ｃとしたとき、（Ｔ−50）゜Ｃ以上であればよい。
【００６１】
支持部材26の下端部は、中心開口部90ａを有するリング状の下部冷却ジャケット90を介して処理室10の底面に気密に接続されている。支持部材26の下端面がＯリング92を介して下部冷却ジャケット90の上面周縁部に載り、円周方向に適当な間隔を置いて複数個のボルト94が支持部材26の下端肉厚部を介して下部冷却ジャケット90の対応するねじ穴にねじ込まれていることで、支持部材26はＯリング92を介して下部冷却ジャケット90と気密に接続している。
【００６２】
一方、下部冷却ジャケット90の下面周縁部がＯリング96を介して処理室10の底板部10ｂの上面に載り、円周方向に適当な間隔を置いて裏側から複数個のボルト98が底板部10ｂを介して下部冷却ジャケット90の対応するねじ穴にねじ込まれていることで、下部冷却ジャケット90はＯリング96を介して処理室10の底板部10ｂとも気密に接続している。
【００６３】
このように、本実施例における支持部材26は、略円筒状の形体を有し、その上端部にて載置台24の裏面に固相接合により気密に接合し、その下端部にて下部冷却ジャケット90およびＯリング92、96を介して処理室10の底板部10ｂに気密に接続されている。かかる気密な遮蔽構造により、処理室10内の処理空間は支持部材26の内側の大気室38からも、外付けユニット34側の大気圧空間からも気密に遮断され、所望の真空度に減圧可能となっている。
【００６４】
なお、本実施例の支持部材26においては、応力を緩和するために、その上端部および中間部にそれぞれ内側にくびれる屈曲部26ａ、26ｂが形成されている。
【００６５】
処理室10の底板部10ｂにも、下部冷却ジャケット90の中心開口部90ａと対応する位置に中心開口部10ｃが形成されている。上記した支持部材26の内側の大気室38と外付けユニット34とはこれらの開口部90ａ、10ｃを介して互いに大気圧下で連通している。また、外付けユニット34からの電線、配管類は全てこれらの開口部90ａ、10ｃを通って大気室38内へ引かれる。
【００６６】
下部冷却ジャケット90の上面には円周方向に適当な間隔を置いて複数個のざぐり穴が形成されており、これらのざぐり穴に圧縮コイルバネ100を介して垂直支持棒102が立設されている。各垂直支持棒102の上端は各圧縮コイルバネ100の弾性力で大気室38内の上部冷却ジャケット40の裏面に押し付けられている。
【００６７】
このように、上部冷却ジャケット40ひいてはその上の載置台24が、垂直支持棒102および圧縮コイルバネ100を介して下部冷却ジャケット90に支持され、ひいては処理室10の底板部10ｂに支持されている。かかる内部支持機構により、載置台24の重量を支えるための支持部材26の負担が軽減されている。
【００６８】
冷却ジャケット90の内部には円周方向に延在する冷媒通路90ｂが形成されている。この冷媒通路90ｂには、外付けユニット34の冷却装置44より配管104を介して所定温度（たとえば25゜Ｃ）の冷媒（たとえば水）Ｆが供給される。
【００６９】
上記したように、このプラズマ処理装置では、真空処理室10内において半導体ウエハＷの載置台24を略円筒状の密閉式支持部材26で支持し、この密閉式支持部材26の内側に形成される大気室34の中に冷却ジャケット40を配設して載置台24を所定温度で冷却する。冷却ジャケット40に対する冷媒の供給は大気室34を経由して行う。また、載置台24内の電極28や抵抗発熱体30に対する静電吸着用電圧およびプラズマ引き込み用電圧の給電等、電気系統の配線も全て大気室34を経由して行う。
【００７０】
このように、大気圧下に載置台冷却用の冷却ジャケット40を設置したり、ガス管や電線類を引けることは、装置設計・製作が容易になるだけでなく、装置メンテナンスの点でも便利である。
【００７１】
また、このプラズマ処理装置では、支持部材26が載置台24に対しては固相接合により気密に接合し、支持部材26の下端側で支持部材26と下部冷却ジャケット90との間の気密な接続、および下部冷却ジャケット90と処理室10との間の気密な接続にそれぞれＯリング90、96が用いられる。
【００７２】
ここで、Ｏリング90、96は下部冷却ジャケット90の温度（25゜Ｃ）で冷却されるため、熱で変質劣化するおそれはない。
【００７３】
したがって、これらのＯリング90、96の耐熱温度（通常200゜Ｃ以下）に何ら律則されることなく、載置台24の設定温度を任意に、好ましくは半導体ウエハＷの設定温度（たとえば400゜Ｃ）より少し低い値（たとえば350゜Ｃ）に選ぶことができる。
【００７４】
このように、載置台24の設定温度を半導体ウエハＷの設定温度に近づけることで、プラズマの変動やウエハ固体間のばらつき等を良好な熱応答で迅速かつ精細に補償して、ウエハ温度を安定かつ均一に設定値に制御することができ、ひいてはプラズマ処理の加工品質を向上させることができる。さらには、半導体ウエハＷを載置台24に載置してから処理を開始するまでのプリヒート時間の短縮化も可能となり、スループットを改善することができる。
【００７５】
また、支持部材26を熱伝導性のセラミック体で構成し、かつその下端部を下部冷却ジャケット90に熱結合させているので、載置台24からの熱の相当部分を支持部材26および下部冷却ジャケット90を介して室外へ放出することが可能であり、冷却効率を高めることができる。
【００７６】
なお、支持部材26のサイズ、特に高さ寸法は、支持部材26における熱伝導で消費されるべき熱量から決定される。たとえば、載置台24の設定温度と下部冷却ジャケット90の設定温度との温度差をΔＴ（゜Ｃ）、載置台24に対するプラズマ入射熱の熱量をＪ（ワット）、支持部材26の熱抵抗をλ（゜Ｃ／ワット）とすると、ΔＴとＪが既知の値（設計値）で与えられるので、次の式（１）から熱抵抗λが求まる。
【００７７】
ΔＴ=λ・Ｊ ‥‥‥‥‥‥‥‥（１）
【００７８】
熱抵抗λは支持部材26の材質の熱伝導率（固有値）と横断面積（設計値）と長さつまり高さとで決まる。したがって、熱抵抗λと熱伝導率と横断面積のそれぞれの値を基に支持部材26の所要高さを求めることができる。
【００７９】
上記した実施例では支持部材26をＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成した。しかし、窒化珪素等の他のセミックス体でも可能である。処理室10の処理空間で劣化することなく、載置台24との気密な接合が可能であり、さらに好ましくは熱伝導率の高いものであれば、任意の材質を支持部材26に用いることが可能である。
【００８０】
支持部材26の形状は円筒体に限るものではなく、角筒体でもよい。上記した実施例では支持部材26と処理室10の壁部との間に下部冷却ジャケット90を介設したが、処理室10の壁部を所定温度で温調する機構を設け、支持部材26を処理室10の壁部に直接熱結合させて接続する構成としてもよい。また、上記した実施例では支持部材26を載置台24の裏面に接合したが、載置台24の側面に接合する構成も可能である。
【００８１】
支持部材26の内側の大気室38内の構成も種種の変形・変更が可能である。載置台24と冷却ジャケット40との間では任意の熱結合が可能であり、たとえば熱伝導シート42を省いて隙間にしてもよい。冷却ジャケット40に使用する冷媒の種類または温度は種種選択可能であり、下部冷却ジャケット90と異なる冷媒（温度）または冷却装置を使用してもよい。また、冷却ジャケット40をこれと異なる構造または冷却方式の冷却手段で置き換えることもできる。
【００８２】
上記実施例における載置台24の構成は一例であり、種種の載置台構造を採ることができる。たとえば、電極28を単一（単極）構造としてもよい。また、ウエハ温度制御用の不活性ガス通路や載置台温度制御用の発熱体を備えない載置台構造であってもよい。
【００８３】
上記実施例ではＥＣＲ方式でプラズマを生成したが、他のプラズマ生成法たとえば平行平板方式、マグネトロン方式、マイクロ波方式等も使用可能である。被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、ＬＣＤ基板、ガラス基板等であってもよい。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、被処理基板に対する温度制御を改善してプラズマ処理の加工品質およびスループットの向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】実施例のプラズマ処理装置の要部の構成を示す図である。
【図３】従来のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
10 処理室
12 プラズマ発生室
24 載置台
26 支持部材
30 抵抗発熱体
34 外付けユニット
40 冷却ジャケット
42 熱伝導シート
44 冷却装置
46、48 配管
50 不活性ガス供給部
58、60 導線
72、74 電力線
80 ヒータ電源
90 下部冷却ジャケット
92、96 Ｏリング
100 圧縮コイルバネ
102 支持棒
Claims (9)
- 所定の真空度に減圧された処理室内で被処理基板に対してプラズマを利用した所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記処理室内に配設された前記被処理基板を載置するための主面を有する載置台と、
前記載置台の側面または裏面に気密に接合される上端部を有し、前記載置台を支持するとともに、前記載置台の裏面側に前記処理室の処理空間から遮断され大気に連通可能な大気室を形成する筒状の支持部材と、
前記大気室内で前記載置台に熱的に結合された第１の熱伝動性ブロックを有し、前記載置台を介して前記基板の温度を制御するために前記第１の熱伝動性ブロックを冷却する第１の冷却部と、
前記支持部材の下端部と前記処理室の底板部との間に気密に配設された第２の熱伝動性ブロックを有し、前記載置台から独立して前記支持部材の温度を制御するために前記第２の熱伝動性ブロックを冷却する第２の冷却部と、
を有するプラズマ処理装置。 - 前記第１の冷却部が、前記第１の熱伝動性ブロックの中に設けられた冷媒通路に所望の第１の温度に温調された冷媒を供給する第１の冷媒供給部を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記載置台の中に設けられた電極と、
前記電極に前記被処理基板に対する静電吸着力を発生させるための電圧を前記大気室を経由して給電する静電吸着用電圧給電部と
を有する請求項１または２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記被処理基板に前記プラズマ中のイオンを引き込むための高周波電圧を前記大気室を経由して前記電極に給電する高周波電圧給電部を有する請求項３に記載のプラズマ処理装置。
- 前記載置台の中に設けられ、電力を熱に変換する発熱体と、
前記発熱体に前記大気室を経由して電熱用の電力を給電する電熱用電力給電部と
を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記被処理基板の温度を制御するための不活性ガスを前記載置面上に案内するよう前記載置台に設けられたガス通路と、
前記載置台のガス通路に前記大気室を経由して前記不活性ガスを供給する温度制御用ガス供給部と
を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記第２の冷却部が、前記第２の熱伝動性ブロックの中に設けられた冷媒通路に所望の第２の温度に温調された冷媒を供給する第２の冷媒供給部を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記載置台および前記支持部材がそれぞれセラミックス体で構成され、固相接合によって互いに接合される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記２の熱伝動性ブロックが、前記支持部材の下端部と第１のＯリングを介して気密に接続され、前記処理室の底板部と第２のＯリングを介して気密に接続される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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