JPH05182930A - ウェーハ冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドライエッチング装置における真空チャンバ
の真空度を下げることなく半導体ウェーハを効率よく強
制冷却するウェーハ冷却装置の提供。 【構成】 ウェーハ（１）のドライエッチング装置にお
ける真空チャンバ（２）内に略水平に配置された冷却手
段（４）付きステージ（３）の上面に載置されたウェー
ハ（１）を冷却する装置で、ステージ（３）の上面周辺
部にリング状に設置されたシール材（５）と、ステージ
（３）上面のシール材（５）で囲まれる中央部に形成さ
れたガス供給孔（６）及びガス排出孔（７）と、ステー
ジ（３）とシール材（５）及びウェーハ（１）で囲まれ
る微小間隙（Ｇ）にガス供給孔（６）からヘリウムガス
（９）を供給すると共に、過剰供給分のヘリウムガス
（９）をガス排出孔（７）から排出させて、間隙（Ｇ）
にヘリウムガス（９）を流動的に充填させるガス給排出
制御部（８）で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウェーハ状物品の冷却
装置、特に、半導体用ウェーハをプラズマエッチングや
イオンビームエッチングするドライエッチング装置に好
適するウェーハ冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空チャンバ内のステージに例えば半導
体素子を有するウェーハを載置して、ウェーハ上面のレ
ジストをドライエッチングする際に、ウェーハの基板が
高温のガスプラズマやイオンビームの衝撃で加熱されて
熱による損傷を受けることがある。そこで、ドライエッ
チング時にウェーハを強制冷却することが、一部のドラ
イエッチング装置で行われている。この種の冷却装置
は、ウェーハを載置するステージを冷却水で冷却し、ス
テージでウェーハを直接に冷却する構造が一般的であ
る。しかし、ステージの平坦な上面とウェーハの裏面は
完全に密着せず、両者間には部分的に熱伝導しない真空
の微小隙間が在って、この間隙がステージによるウェー
ハの冷却効率を悪くし、ウェーハが熱により損傷を受け
る原因になっている。

【０００３】このような問題を解決するものとして、ス
テージとウェーハの間の隙間に熱伝導性に優れたヘリウ
ムガスなどの不活性ガスを供給するようにした冷却装置
が、特開平３−９３２２６号公報などに開示されてい
る。その概略を図４に基づき説明する。

【０００４】図４はイオンビームによるドライエッチン
グ装置を示し、真空チャンバ（２）内の下部にステージ
（20）が、上部にイオンビーム（21）の射出部（22）が
配置され、ステージ（20）上にウェーハ（１）が自動あ
るいは手動で載置される。真空チャンバー（２）内が10
^-6Torr以下程度の高真空度に保たれ、射出部（22）から
ウェーハ（１）に向けて射出されたアルゴンなどのイオ
ンビーム（21）でウェーハ表面のレジストがエッチング
される。このドライエッチング時にウェーハ（１）はス
テージ（20）と、上面中央に設けたガス排出孔（24）か
らの不活性ガス、例えばヘリウムガス（９）の冷媒ガス
で強制冷却される。

【０００５】ステージ（20）は冷却水で強制冷却され、
その冷却水循環機構は本体（23）に内蔵される。ステー
ジ上面中央のガス排出孔（24）は、ステージ（20）と本
体（23）を貫通する配管（25）に連通する。ガス排出孔
（24）から排出されたヘリウムガス（９）は、ステージ
（20）とウェーハ（１）の間の隙間を通過して、ステー
ジ（20）の周辺から真空チャンバ（２）内に放出され
る。ウェーハ（１）は、ステージ（20）との接触部分が
ステージ（20）で直接に冷却され、ウェーハ（１）のス
テージ（20）と接触しない部分は、この部分とステージ
（20）の間を流れるヘリウムガス（９）で冷却される。
つまり、ヘリウムガス（９）はウェーハ（１）の熱をス
テージ（20）に伝達することで、ウェーハ（１）を冷却
する。その結果、ウェーハ（１）は全体に平均して冷却
され、熱による損傷が防止される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ウェーハを良好にドラ
イエッチングする重要な条件の１つに、真空チャンバ内
の真空度を高度に維持することがある。上記のようにド
ライエッチング時にステージからヘリウムガスを真空チ
ャンバ内に流すと、真空チャンバ内の真空度が低下し、
真空度を高度に維持することが難しくなる。この真空度
低下は、ウェーハをプラズマエッチングする場合にはあ
まり問題とならないが、ウェーハをイオンビームでエッ
チングする場合には、真空チャンバ内の真空度低下がエ
ッチングレートを大きく低下させる。また、ヘリウムガ
スは、アルゴンガスによるウェーハのエッチングを邪魔
することがある。その結果、ウェーハを上記従来のよう
にヘリウムガスで冷却すると、ウェーハの熱損傷は防止
できるが、ウェーハを良好にドライエッチングすること
が難しくなり、エッチングされたウェーハの品質にバラ
ツキが生じていた。

【０００７】なお、アルゴンイオンビームに代えてヘリ
ウムイオンビームでウェーハをドライエッチングするよ
うにすれば、冷媒のヘリウムガスによる上記問題点を軽
減させることができる。しかし、小分子量のヘリウムの
イオンビームによるエッチングレートは、アルゴンイオ
ンビームに比べて大幅に低く、ヘリウムイオンビームに
よるウェーハのドライエッチングは実施されていないの
が現状である。

【０００８】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、真空チャンバ内の真
空度を低下させることなく、かつ、ウェーハのドライエ
ッチングを邪魔することなく、ウェーハを効果的に冷却
する冷却装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ウェーハのド
ライエッチング装置における真空チャンバ内に略水平に
配置された冷却手段内蔵のステージの上面に載置された
ウェーハを冷却する装置であって、ステージに次のガス
供給孔とガス排出孔を形成し、かつ、ステージにシール
材とガス給排出部を付設することで、上記目的を達成す
る。

【００１０】すなわち、シール材は、ステージ上面周辺
部にリング状に設置され、ウェーハの裏面周辺部に当接
して、ウェーハとステージの間に微小間隙を形成する。
また、ガスの供給孔と排出孔は、ステージ上面のシール
材で囲まれる中央部に形成される。ガス給排出部は、ス
テージとシール材および半導体ウェーハで囲まれる微小
間隙にガス供給孔からヘリウムガスなどの冷媒ガスを供
給すると共に、過剰供給分の冷媒ガスをガス排出孔から
排出させて、間隙に冷媒ガスを流動的に充填させる機能
を備える。

【００１１】本発明においては、ステージ上面にガスの
供給孔と排出孔のそれぞれ複数を平均的に分散させて形
成することが、冷媒ガスをステージとウェーハの間の間
隙に平均的に充填させる上で望ましい。さらに、ステー
ジとウェーハの間に充填された冷媒ガスの熱伝導の働き
を効率的に行わしめる上で、ステージとウェーハの間隙
を0.2mm以下に規制することが望ましい。

【００１２】

【作用】ステージとウェーハの間にシール材で0.2mm以
下程度の微小間隙を形成し、この間隙にステージのガス
供給孔からヘリウムガスなどの冷媒ガスを供給して充填
させておくと、ドライエッチングされるウェーハの熱が
冷媒ガスでステージに伝達され、ウェーハの冷却が冷媒
ガスで効果的に行われる。この冷却時、ステージとウェ
ーハの間に冷媒ガスはシール材でシールされ充填されい
るので、真空チャンバ内に放出されず、従って真空チャ
ンバ内の真空度は高度に維持される。また、ステージと
ウェーハの間に充填される冷媒ガスのシールにより、ウ
ェーハを冷却する冷媒用ガスとウェーハをドライエッチ
ングするエッチング用ガスが完全に独立して、両者ガス
それぞれに冷却およびドライエッチングに最適な品種の
ものが使用できる。

【００１３】

【実施例】実施例について、図１乃至図３を参照して説
明する。同図は図４のドライエッチング装置に適用した
もので、図４と同一または相当部分には同一符号を付
し、異なる点について説明する。

【００１４】図１は本発明装置の要部拡大図、図２はそ
の平面図で、ドライエッチングされるウェーハ（１）を
載置するステージ（３）は冷却手段（４）を内蔵した上
面平坦な冷却台で、図３に示すように本体（10）に支持
されて、ドライエッチング装置の真空チャンバ（２）内
の下部に略水平に配置される。ステージ（３）の冷却手
段（４）は、ステージ（３）の内部に形成された冷却水
流路（11）であり、冷却水流路（11）は本体（10）を介
して図示しない冷却水循環機構に接続される。ステージ
（３）の上面周辺部に円形リング状の耐熱性シール材
（５）が設置され、シール材（５）上にウェーハ（１）
の裏面周辺部が密着させて載置される。シール材（５）
でステージ（３）とウェーハ（１）の間に所定の微小間
隙（Ｇ）が形成される。この間隙（Ｇ）の寸法は0.2mm
以下であることが望ましく、その理由は後述する。

【００１５】ステージ（３）の上面の前記間隙（Ｇ）を
形成する中央部に、ガス供給孔（６）とガス排出孔
（７）が形成される。ガス供給孔（６）とガス排出孔
（７）はステージ（３）を貫通して、外部のガス給排出
部（８）に接続される。ガス供給孔（６）から間隙
（Ｇ）に冷媒ガスのヘリウムガス（９）が供給され、ガ
ス排出孔（７）から間隙（Ｇ）内のヘリウムガス（９）
が外部に排出される。このガス供給と排出の流量、圧力
がガス給排出部（８）で調整されて、間隙（Ｇ）にヘリ
ウムガス（９）が所定の圧力で若干の流動性をもって充
填される。ガス供給孔（６）とガス排出孔（７）の数と
配置は、間隙（Ｇ）全体にヘリウムガス（９）が平均し
た流動性で充填されるように設定される。例えば図２に
示すように、ステージ（３）上面のシール材（５）内側
近くにガス供給孔（６）とガス排出孔（７）を交互に45
゜間隔で４つずつ配置する。

【００１６】以上のウェーハ冷却装置を備えたステージ
（３）上へのウェーハ（１）の供給は、例えば切出爪
（12）と押圧爪（13）で自動的に行われる。切出爪（1
2）と押圧爪（13）は、ステージ（３）に対して上下動
する昇降リング（14）の複数箇所に段差をもって固定さ
れる。昇降リング（14）が図３の鎖線で示す上昇位置に
あるとき、下段の切出爪（12）の部所に横からウェーハ
（１）がロボットアーム（図示せず）で挿入されて、半
導体ウェーハ（１）の周縁部下面の３箇所が切出爪（1
2）で支持される。昇降リング（14）が図３の実線の下
限位置まで下降する途中で切出爪（12）に支持されたウ
ェーハ（１）がステージ（３）に載置されて、切出爪
（12）がウェーハ（１）から下方に離れる。昇降リング
（14）が下限位置まで下降すると、押圧爪（13）がステ
ージ（３）に載置されたウェーハ（１）の表面周縁部の
等間隔の６箇所を押圧して、ウェーハ（１）をシール材
（５）に密着させる（図１の状態）。この後、真空チャ
ンバ（２）内が真空引きされ、射出部（22）からアルゴ
ンのイオンビーム（21）が射出されてウェーハ（１）の
ドライエッチングが行われる。エッチング完了後、昇降
リング（14）を上昇させると、押圧爪（13）がウェーハ
（１）から離脱し、上昇途中で切出爪（12）がウェーハ
（１）を受けてステージ（３）から取り上げる。

【００１７】上記ドライエッチング時にステージ（３）
とウェーハ（１）の間の間隙（Ｇ）にヘリウムガス
（９）が充填される。ヘリウムガス（９）は熱伝導性に
優れた不活性ガスであり、ウェーハ（１）の熱をステー
ジ（３）に効果的に伝達してウェーハ（１）を強制冷却
する。間隙（Ｇ）に充填されたヘリウムガス（９）は、
シール材（５）のために真空チャンバ（２）内に放出さ
れず、従って真空チャンバ（２）内の真空度は一定に維
持され、例えばアルゴンイオンビームのエッチングに最
適な１０^-4〜１０^-6Ｔｏｒｒに維持される。また、真空
チャンバ（２）内はドライエッチングに最適なアルゴン
ガスだけとなるので、ウェーハ（１）は常に最適な条件
下でドライエッチングされる。

【００１８】間隙（Ｇ）のヘリウムガス（９）によるウ
ェーハ（１）の冷却効果は、次の実験により実証され
た。例えば間隙（Ｇ）に充填されるヘリウムガス（９）
の充填圧が１〜10Torrで、大気圧状態での流量に換算し
た標準流量が２〜10sccmとなるように、ヘリウムガス
（９）のガス供給孔（６）からの供給量とガス排出孔
（７）からの排出量をガス給排出部（８）で調整する。
この場合、間隙（Ｇ）にガス供給孔（６）から供給され
たヘリウムガス（９）は間隙（Ｇ）に充満し、所望の充
填圧になると過剰分がガス排出孔（７）から排出され、
この排出でヘリウムガス（９）は間隙（Ｇ）内を乱流と
なって流動し、間隙（Ｇ）内に平均的に充填されてウェ
ーハ（１）を平均的に冷却する。このように間隙（Ｇ）
にヘリウムガス（９）を流動的に充填すると、ヘリウム
ガス（９）自体の温度上昇が抑制されてウェーハ（１）
の冷却効率が高く維持される。仮に、間隙（Ｇ）にヘリ
ウムガス（９）を流動させずに充填だけしておくと、停
滞したヘリウムガス（９）自体の温度上昇でウェーハ
（１）の冷却効率が低下する。

【００１９】また、間隙（Ｇ）を0.2mm以下に規制する
ことにより、ヘリウムガス（９）によるウェーハ（１）
の冷却効率が最も効果的に発揮される。すなわち、間隙
（Ｇ）内でのヘリウムガス（９）の分子の平均自由行程
より間隙（Ｇ）の寸法が大きくなるほど、ヘリウムガス
（９）の分子がウェーハ（１）から熱を奪ってステージ
（３）に到達するまでの間に他の分子に衝突してステー
ジ（３）に熱伝達することができなくなる確率が高くな
り、ヘリウムガス（９）によるウェーハ（１）の冷却効
果が悪くなる。間隙（Ｇ）を0.2mm以下に規制すると、
この寸法がヘリウムガス（９）の分子の平均自由行程以
下となって、ヘリウムガス（９）によるウェーハ（１）
の冷却効果が最大に発揮されることが実験により実証さ
れた。

【００２０】なお、本発明は上記実施例に限らず、特に
ステージ（３）におけるガス供給孔（６）とガス排出孔
（７）の数と配置は、ウェーハ（１）のサイズに応じた
様々な変更が可能であり、例えばステージ（３）の中央
に少数のガス供給孔（６）を、その周辺により多くのガ
ス排出孔（７）を形成して、間隙（Ｇ）の中央から周辺
に向けて放射状にヘリウムガス（９）を流動させても、
ウェーハ（１）の冷却効果は十分に発揮されることが分
かっている。また、冷媒ガスはヘリウムガス以外の不活
性ガスを使用してもよいが、ウェーハ冷却効率の点でヘ
リウムガス使用が最適である。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、ステージとウェーハの
間に冷媒ガスを流動的に充填することで、ドライエッチ
ングされるウェーハ全体の熱が冷媒ガスでステージに伝
達されて、ウェーハが冷媒ガスで確実に効果的に冷却さ
れるので、ドライエッチング時のウェーハの熱による損
傷がなくなり、また、冷媒ガスはシール材にシールされ
て真空チャンバ内への放出がないので、真空チャンバ内
の真空度が高度に維持されて、ウェーハのドライエッチ
ングを高歩留まり、高品質で行わしめる効果がある。特
に、ステージとウェーハの間の間隙をシール材で0.2mm
以下程度に規制しておくことで、冷媒ガスによるウェー
ハの冷却効率が高く安定して維持される。また、ステー
ジとウェーハの間に充填される冷媒ガスのシールによ
り、冷媒用ガスとウェーハをドライエッチングするエッ
チング用ガスの各々に冷却およびドライエッチングに最
適な品種のものが使用できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すステージ要部の断面図

【図２】図１の装置の一部省略部分を含む部分平面図

【図３】図１の装置とその周辺機構の側面図

【図４】従来のウェーハ冷却装置の概略を示す部分断面
を含む正面図

【符号の説明】

１ ウェーハ ２ 真空チャンバ ３ ステージ ４ 冷却手段 Ｇ 間隙 ５ シール材 ６ ガス供給孔 ７ ガス排出孔 ８ ガス給排出部 ９ 冷媒ガス（ヘリウムガス）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバ内に略水平に配置された冷
   却手段付きステージの上面に載置されたウェーハを冷却
   する装置であって、 ステージ上面周辺部にリング状に設置され、ウェーハの
   裏面周辺部に当接してウェーハとステージの間に微小間
   隙を形成するシール材と、 ステージ上面のシール材で囲まれる中央部に形成された
   ガス供給孔及びガス排出孔と、 ステージとシール材及びウェーハで囲まれる前記微小間
   隙にガス供給孔から冷媒ガスを供給すると共に、過剰供
   給分の冷媒ガスをガス排出孔から排出させて、前記間隙
   に冷媒ガスを流動的に充填させるガス給排出制御部とを
   具備したことを特徴とするウェーハ冷却装置。
2. 【請求項２】 ステージ上面にガス供給孔の複数とガス
   排出孔の複数を、平均的に分散させて形成したことを特
   徴とする請求項１記載のウェーハ冷却装置。
3. 【請求項３】 ステージと、ステージ上にシール材を介
   して載置されたウェーハの間隙を０．２ｍｍ以下に規制
   したことを特徴とする請求項１又は２記載のウェーハ冷
   却装置。