JPH07292473A - 低圧雰囲気内の処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】低圧雰囲気内で基板の処理を行う装置におい
て、基板の温度制御を効果的に行うことができるように
した低圧雰囲気内の処理装置を提供する。 【構成】低圧雰囲気内の処理装置を、低圧雰囲気に維持
される処理室と、処理室内で処理する基板を載置し内部
に温度制御された流体を流す流路を設けて基板を載置す
る載置面には複数の小孔を有する支持手段と、前記基板
を載置面に押しつける押しつけ手段と、該押しつけ手段
により押しつけられた基板と前記載置面との間に複数の
小孔から圧力を７００Ｐａ以上に調整した気体を導入す
るガス導入手段と、処理室内を排気する排気手段とを有
し、ガス導入手段により載置面と前記基板との間に前記
気体を導入して気体を排気手段により処理室から排気す
ることにより３００Ｗ／ｍ²・ｄｅｇ以上の熱通過率で
前記基板の温度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低圧雰囲気の処理室内
において基板に食刻、成膜、ベーキング処理等の処理を
行う低圧雰囲気内の処理方法及びその装置に関するもの
である。

【０００２】詳しくはドライエッチング装置において
は、基板がプラズマから受ける熱により加熱されて基板
上のフォトレジストが変質しないように基板を冷却する
ための装置、また、基板の脱ガスのためのベーキング処
理においては基板を効果的に加熱する必要があるため、
この基板を加熱する装置、また蒸着、スパッタ蒸着装置
などにおいて生成膜の粒径、光学的反射率などの制御の
ために必要な基板の温度制御方法及びその装置に関する
ものである。

【０００３】

【従来の技術】低圧雰囲気内の処理装置では、基板と基
板支持台間の熱の授受は、常圧における熱の授受のよう
に十分には行なわれないことが知られている。これは、
２面間の熱の授受には介在気体分子が大きな役割を果た
しているからである。

【０００４】そのために、単に、基板支持台の温度制御
を行っただけでは、基板の温度制御を効果的に行うこと
はできない。

【０００５】そこで、２面間の熱の授受を効果的に増大
する方法がいくつか知られている。

【０００６】この従来の基板温度制御装置は、特開昭５
８−３２４１０号に示すように図１に示す如く構成され
ている。

【０００７】即ちこのスパッタリングまたはドライエッ
チング等の処理装置は、主に真空室10、スパッタ源19、
陽極20、及び基板支持台12から構成されている。

【０００８】そして真空室10は排気装置18により低圧ま
で排気される。陰極であるスパッタ源19と陽極20との間
で放電を発生し、生じたイオンかスパッタ源19にたたか
れることにより分子がとび出し、基板支持台12に支持さ
れた基板15に達し、基板15上にスパッタ源と同じ材質の
薄膜が形成される。

【０００９】ここで、基板支持台12内には導管11が設け
られていて、管５を通じて水供給装置２から、温度が制
御された水が流されることにより、基板支持台12は適当
な温度に保たれる。

【００１０】基板15は、バネ14を設けた基板支持具13に
より全周にわたって均一な荷重で押え付けられている。
またこの時基板15と基板支持台12との間にはＯリング17
が設けられていて、ガス室16が作られ、このガス室はＯ
リング17により真空室10からシールされている。

【００１１】ここで、ガスだめ４は、ガス圧計８、制御
系９、及び弁３により、ガス供給源１からのガス流入量
が制御される。基板15と基板支持台12との間隙に形成さ
れるガス室16は弁６およびガス管７を通して上記ガスだ
め４と結合され、常に一定の圧力に制御されている。

【００１２】以上の従来の処理装置においては、基板15
と基板支持台12との間に設けられたガス室内の気体分子
により、基板15と温度制御された基板支持台との間の熱
の授受が行なわれ、基板を単に基板支持台12上に載置し
た場合より効果的な基板温度制御が行なわれる。

【００１３】しかしながら、この従来の処理装置におい
て、次のような問題点を有していた。

【００１４】即ち、例えば、基板15を厚さｔ＝0.5ｍ
ｍ、半径ａ＝50ｍｍのシリコン基板とし、ガス室16内の
圧力ｐを1000Ｐａ、真空室10内の圧力はｐより十分小さ
いとした場合、基板はガス室16内の気体の圧力により変
形を受け、中心から半径方向にｒの位置での変形量δｒ
は以下の(数１)に従う。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、Ｅ、Ｖはそれぞれシリコンの縦弾
性係数およびポアソン比で、Ｅ＝13.1×10¹⁰（Ｎ／
ｍ²）、Ｖ≒0.3とする。

【００１７】この時、基板中心すなわちｒ＝０の位置で
の変位量δ₀は約270μｍになる。

【００１８】この値は、ガスとしてＨｅを用いた時の適
切なガス室16の厚さ13４μｍを大きく上まわっている。
すなわち、設計どおりの効果が得られないことになる。

【００１９】さらに、高い熱伝導性を持つＨｅであって
も、ガス室16中の気体による十分な伝熱効果が得られな
いわけであるから、アルゴンなど真空室10内の処理ガス
と同種のガスを用いた場合、ヘリウムに見られるような
高い伝熱効果を得られないのは明白である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
基板温度制御方法では、高伝導性ガスであるヘリウムを
用いても十分な伝熱特性を得られないし、ガス室16内の
ガスを真空室10内のガスと同種のものを用いた場合、現
実的にはガス室16による効果的な伝熱特性は得られない
という問題点を有していた。

【００２１】さらに、Ｏリングのシール効果が発生する
Ｏリングのつぶししろまで、基板15を押えつけること
は、基板の機械的強度の観点から不可能である。

【００２２】そこで、どうしても気体のもれが発生して
しまい、真空室10内に導入する処理気体と異なる気体を
伝熱用気体とした場合、リークした伝熱用気体が真空室
10内の処理に悪影響を及ぼすという問題点も有してい
た。

【００２３】本発明の目的は、上記従来技術の問題点に
鑑み、低圧雰囲気内で食刻、成膜、ベーキングなど、処
理を行う装置において、基板の温度制御を効果的に行う
ことができるようにした低圧雰囲気内の処理装置を提供
することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、基板と基板支持台の間隙距離が、間隙内
に存在する気体の平均自由行程より小さい範囲では、２
面間の熱の授受量は、任意の圧力において気体の種類に
は依存しないことに着目し、基板支持台を凸面にして基
板が気体圧力により凸に変形した場合でも気体層の厚さ
をその気体の平均自由行程より小さくすることにより効
果的な２面間の伝熱特性を高伝導性気体以外の気体にお
いても良くしたことにある。

【００２５】

【実施例】以下本発明を図に示す実施例にもとづいて具
体的に説明する。

【００２６】即ち図２を用いて本発明の特徴点を具体的
に説明する。

【００２７】基板と基板支持台間の気体層の厚さをｄと
して、気体層の圧力を変えた時、単位温度差当りに２面
間を単位時間、単位面積あたり通過する熱量（熱通過
率）の変化をヘリウム、ちっ素、四塩化炭素について実
験により測定したのが図２である。

【００２８】更に、本発明の一実施例を図３、図４およ
び図５にもとづいて具体的に説明する。

【００２９】本実施例は、真空室24、上部電極30、下部
電極37、高周波電源42から主に構成される平行平板形の
ドライエッチング装置である。

【００３０】真空室24は、排気系41により低圧まで排気
され、真空計39及び制御系40により定圧にされ、処理気
体導入口25から処理気体である例えば四塩化炭素が導入
される。

【００３１】また、上部電極30および絶縁物38を介した
下部電極37間には、高周波電源42から高周波が印加さ
れ、処理気体はプラズマ状態になり、下部電極37上の基
板34の表面が表面のレジストにより形成されたパターン
通りに食刻される。

【００３２】この図から明らかなように、気体層の厚さ
ｄを10μｍ以下にすると、圧力400Ｐa程度まではちっ素
および四塩化炭素を気体層に用いても例えば四フッ化炭
素、酸素、ヘリウムを用いた場合と同様の熱通過率を得
られる。すなわち、気体層の厚さは常時10μｍ程度以下
にしておくと伝熱効果は大きい。

【００３３】また、ガスの圧力は、気体の種類にもよる
が、気体層の厚さが10μｍ程度（機械的接触の限界）で
あれば、約1300Ｐa以上にしても熱通過率は上昇せず、
意味がない。

【００３４】さらに、例えば半径50ｍｍの基板が1300Ｐ
aの気体から受ける荷重は１Ｋｇであり、これ以上の荷
重を加えるのは基板の破壊の起こる可能性が出てくる。
従って1300Ｐa程度が限界だと考えられる。

【００３５】この図において、直線部21は、気体分子の
平均自由行程が、気体層の厚さより十分大きい場合であ
り、気体の圧力とともに線形に熱通過率は上昇し、気体
層の厚さや気体の種類に関係しない。

【００３６】一方、直線部22は、気体分子の平均自由行
程が、気体層の厚さより十分小さい場合であり、気体層
の厚さが大きくなると熱通過率は下がる。この時熱通過
率は、同種の気体であれば圧力が大きくなっても変化し
ない。

【００３７】また曲線部23はこれら２つの場合の過度的
な状態である。

【００３８】ここで、下部電極37は、内部に導管32が設
けられていて、流体供給源43から、設定温度に保たれた
流体が供給され、設定温度に保たれる。下部電極37を設
定温度に保つ方法としては、流体を流す方法に限らず、
ヒートパイプと冷却源あるいは発熱導線などを用いる方
法であってもさしつかえない。

【００３９】基板34は、バネ36が設けられた環状または
３〜４点のつめからなり駆動系29により駆動される基板
支持具35により総加重３〜４Ｋｇで押えつけられる。

【００４０】さらに、伝熱用気体が、流量制御装置46お
よび真空計45により圧力が制御された気体だめ44から導
管47を通じ、下部電極37に導入され、図４に示したよう
に円48上に設けられた直径１ｍｍ程度の多数の気体導入
穴31を通じ、基板34と下部電極37が作る間隙に送られ
る。

【００４１】また、気体導入口25を通じ真空室24内に導
入される気体および下部電極37を通じ真空室24内に導入
される気体は合せて一本の導管28から供給され、流量制
御装置27により制御され、気体供給源26から真空室に供
給される気体の総量を制御する。

【００４２】また、下部電極37は、凸面形状に加工さ
れ。、表面は、表面荒さ3.2Ｓ程度まで研摩されてい
る。

【００４３】この時、凸面の形状は、式(1)に従うか式
(1)よりやや大きく加工される。これは、気体が導入さ
れて基板が裏面から荷重を受けてもさらに変形しないよ
うにするためであり、その結果基板34は下部電極37に密
着し、かつ必要以上に基板を変形させずにすむ。

【００４４】以上の装置構成において、基板の温度制御
が行なわれる過程について説明する。

【００４５】気体導入穴31から基板34の裏面に導入され
た気体は、２面の間隙を通して真空室24内に排気される
一方、円48の内部にも導入され、円48の内部の気体の圧
力は気体導入穴31における気体の圧力と同じ値になる。
この定常状態になるまでの時間は、3.2Ｓ程度の面とシ
リコン基板との間隙であれば数秒とかからないことが実
験により確認されている。

【００４６】また、真空室24側に排気される段階で、円
48の外側には、圧力の勾配が生じる。これは、間隙距離
10μｍというこの部分の持つコンダクタンスによるもの
である。

【００４７】この時の、気体層33の半径方向の圧力分布
を図５に示す。

【００４８】この時、基板34上の多くの点において、裏
面の気体層33の圧力は設定圧力例えば700Ｐaにしておく
とすると、図２に示したグラフより明らかなように、ヘ
リウム、窒素、四塩化炭素（この他の気体においても同
様だと考えられる。）などの気体全てにおいて、熱通過
率300Ｗ／ｍ²・degという大きな値を示す。

【００４９】ここで、円48の外側の部分では基板裏面の
圧力が低いが、基板自身のもつ熱伝導性が気体層の持つ
熱通過率に比べて十分大きいため、基板中心との温度の
差は問題にならない。

【００５０】ここで、高周波電源42により約200Ｗの電
力を印加し、シリコン基板上のアルミニウム膜をドライ
エッチングした場合の基板の温度は、下部電極を20℃に
設定した場合、30℃程度であった。これは、基板を単に
載置した場合の250℃という値に比べると極めて良好な
値である。

【００５１】さらに、下部電極37を通じ真空室24に導入
される気体の量を測定してみると、直径100ｍｍのシリ
コン基板を3.2Ｓ面に研摩した下部電極上に載置し、気
体層の圧力を1000Ｐaにし、半径45ｍｍの円周上に設け
た気体導入穴から導入した場合のリーク量は、約0.02〜
0.03Ｐa・ｍ³／sec程度であり、ドライエッチングを行
う場合の通常の反応気体流量である0.5〜2Ｐa・ｍ³／se
cに比べ１〜２桁小さい値になっており、さらに、10~²
Ｐa〜10~¹Ｐaの低圧雰囲気で処理を行う電子磁気共鳴に
よるマイクロ波プラズマ処理装置における反応気体流量
0.04〜0.06Ｐa・ｍ³／secよりも少ない値になってい
る。このためマイクロ波放電によるプラズマ処理装置に
おける基板温度制御装置としても用いることもできる。

【００５２】また、基板支持台を400〜500℃に熱した状
態で基板のベーキングに用いた場合、基板温度Ｔは以下
の(数２)により上昇する。

【００５３】

【数２】

【００５４】ここで、Ｔｏ、Ｔｅはそれぞれ基板の初期
温度、電極の温度、λは基板全面における熱通過量、ｃ
は基板の熱容量である。ここで、λ＝3.4Ｗ／deg、ｃ＝
5.8Ｊ／deg、Ｔｏ＝20℃、Ｔｅ＝400℃とすると、約４
秒で360℃まで上昇することになる。この値は、実験に
よってもほぼ近い値がでている。

【００５５】さらに、本発明は、真空中における基板温
度制御が必要となる本実施例に説明していない他のプロ
セス処理に適用できることは当業者にとって明らかであ
る。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板と基板支持台との間隙に700Ｐa前後の気体を介在させ
た上で、間隙距離を10μｍ程度以下にすることができる
ので高伝導性気体であるヘリウム以外の処理気体に用い
る分子量の大きいプロセス処理気体を用いても基板と基
板支持台との間の熱通過率を大きくでき、これにより、
良好な温度制御特性を得られ、かつ、伝熱用気体に処理
気体と同種の気体を使用できるので伝熱用気体のリーク
の問題をも解決することができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の処理装置を示す縦断面図。

【図２】熱通過率と気体圧力の関係を示した図。

【図３】本発明の一実施例を示す縦断面図。

【図４】下部電極および基板の斜視図。

【図５】気体層の圧力分布を示す図である。

【符号の説明】

24…真空室 31…気体導入穴 33…気体層
34…基板 35…基板支持具 37…下部電極 44…気体だ
め。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】低圧雰囲気の処理室内に設けた支持台を該
   支持台の内部に温度制御された流体を流すことにより温
   度制御し、該温度制御された支持台上に処理する基板を
   支持し、該支持された基板と前記支持台との間に圧力を
   ７００Ｐａ以上に調整した気体を導入して該気体を前記
   処理室から排気することにより３００Ｗ／ｍ²・ｄｅｇ
   以上の熱通過率で前記基板の温度を制御することを特徴
   とする低圧雰囲気内の処理方法。
2. 【請求項２】前記圧力を７００Ｐａ以上に調整した気体
   を、前記支持台の前記支持面上で支持する基板の外周に
   近い位置に設けられた複数の小孔から供給することを特
   徴とする請求項１記載の低圧雰囲気内の処理方法。
3. 【請求項３】前記低圧雰囲気の処理室内には処理用気体
   が導入され、前記複数の小孔から供給される前記圧力を
   ７００Ｐａ以上に調整した気体が、前記処理用気体と同
   種の気体であることを特徴とする請求項１または２の何
   れかに記載の低圧雰囲気内の処理方法。
4. 【請求項４】前記支持台と前記基板との間に導入される
   気体は、前記支持台と前記基板とのギャップが１０μｍ
   以下になるように圧力を調整することを特徴とする請求
   項１記載の低圧雰囲気内の処理方法。
5. 【請求項５】低圧雰囲気に維持される処理室と、該処理
   室内で処理する基板を載置し内部に温度制御された流体
   を流す流路を設けて前記基板を載置する載置面には複数
   の小孔を有する支持手段と、前記基板を前記載置面に押
   しつける押しつけ手段と、該押しつけ手段により押しつ
   けられた前記基板と前記載置面との間に前記複数の小孔
   から圧力を７００Ｐａ以上に調整した気体を導入するガ
   ス導入手段と、前記処理室内を排気する排気手段とを有
   し、前記ガス導入手段により前記載置面と前記基板との
   間に前記気体を導入して該気体を前記排気手段により前
   記処理室から排気することにより３００Ｗ／ｍ²・ｄｅ
   ｇ以上の熱通過率で前記基板の温度を制御することを特
   徴とする低圧雰囲気内の処理装置。
6. 【請求項６】前記処理室は前記低圧雰囲気内に処理用気
   体を導入する処理ガス導入手段を有し、前記複数の小孔
   から前記基板と前記載置面との間に導入する気体が前記
   処理ガス導入手段から前記処理室に導入される前記処理
   用気体と同種の気体であることを特徴とする請求項５記
   載の低圧雰囲気内の処理装置。
7. 【請求項７】前記支持手段は、前記載置面が凸状に形成
   され、前記複数の小孔が、前記載置面上に載置する基板
   の外周に近い位置に設けられたことを特徴とする請求項
   ５または６の何れかに記載の低圧雰囲気内の処理装置。
8. 【請求項８】前記支持手段の内部に設けた流路には、温
   度制御された流体を流して前記支持手段の温度を制御す
   ることを特徴とする請求項５記載の低圧雰囲気内の処理
   装置。