JPH08203866A

JPH08203866A - 低温処理装置およびこれを用いた低温処理方法

Info

Publication number: JPH08203866A
Application number: JP800895A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Watanabe; 英俊渡邉; Tomohide Shirosaki; 友秀城崎; Shinsuke Hirano; 信介平野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【構成】エッチングユニット２と温度調節ユニット３
とからなるドライエッチング装置において、温度調節ユ
ニット３は、液化温度の異なる３種類のフルオロカーボ
ン系冷媒をそれぞれ循環させる３個の圧縮冷凍サイクル
１１，１２，１３よりなる。第３段圧縮冷凍サイクル１
１では、最も液化温度の低い冷媒Ａを、第３段凝縮器１
６および第３段膨張弁１７を経て液化温度まで冷却した
状態でウェハ載置電極５内へ流入させることも、バイパ
ス路１９を経て高温のままウェハ載置電極５内へ流入さ
せることもできる。【効果】一台で−１００℃以下の低温から常温以上の
温度にまで、ウェハ１の温度を迅速に昇降させることが
でき、異なる温度での複数のプロセスを同一チャンバ内
で連続処理したり、低温処理後にウェハ１の温度を即座
に常温にまで昇温することができる。このため、スルー
プットの向上、コストの削減が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子材料の製造分野に
おいて、低温ドライエッチングに代表される低温処理が
施される基板の温度を、迅速かつ効率的に調節可能な低
温処理装置に関し、また、これを用いた低温処理方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温処理、特に０℃以下の温度で
処理を行う低温ドライエッチング技術が注目を浴びてお
り、例えば、半導体装置や液晶デバイス、フィールド・
エミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）、マイクロ・エ
レクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）の製造分
野における高精度微細加工への適用が進められている。

【０００３】この低温ドライエッチング技術は、基板を
０℃以下の低温にて保持し、深さ方向のエッチング速度
をイオンアシスト効果により維持したまま、側面でのラ
ジカル反応を凍結するという着想から発したものであ
り、従来のＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術では
二律相反するといわれていた異方性、高速性と、低ダメ
ージ、選択性、汚染性とを両立させ得るものである。

【０００４】特に、−１００℃以下ではレジスト材料の
反応生成物であるＨ₂Ｏの蒸気圧が急激に低下するた
め、いわゆるサイドエッチが防止されて、異方性が著し
く向上する。また、常温では塩素系のエッチング・ガス
を用いていたシリコン材料のエッチングにおいても、低
温下ではＣＦ₄等のフッ素系のエッチング・ガスが使用
でき、有害ガスを使用する必要がなくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、低温ドライ
エッチングを実施するためには様々な問題を解決しなけ
ればならない。先ず、１つ目は基板を如何にして冷却す
るかという問題である。

【０００６】基板の冷却システムとしては、特開平３−
２３３９２９号公報に、液体窒素等の液冷媒が導入され
た液冷媒溜めを用い、該液冷媒溜めの底面または側面に
基板を保持させることにより基板を冷却するものが開示
されている。しかしながら、このように基板の被処理面
を下方または側方に向けて保持させるためには基板載置
台の構成が複雑となる。また、搬送系に基板の表裏を反
転させる手段が必要となるため、ロードロックチャンバ
等を備えて真空内で基板を自動搬送するシステム内で用
いることが困難となる。したがって、基板を処理チャン
バ内から取り出す際には、該処理チャンバを大気開放し
なければならず、結露を発生させてしまうこととなる。
さらに、基板の冷却時に、液冷媒が蒸発、気化するた
め、常に液冷媒を補給する必要があり、製造コストが高
くなる。

【０００７】冷媒の補給を要さない冷却システムとして
は、液化可能な冷媒を循環させるものが提案されてい
る。なお、この冷却システムにおいては、冷媒を基板載
置台内に通過させれば、該基板載置台上に基板の被処理
面を上方に向けて載置させることが可能となる。しかし
ながら、冷媒を例えば常温から−１００℃以下までとい
った広い温度範囲で状態変化させるためには、冷媒の熱
膨張分の体積を吸収するタンクを設置しなければなら
ず、クリーンルーム内の大きなスペースを占有すること
となる。また、冷媒の循環を自然対流に頼っているた
め、冷媒の循環路を該基板載置台よりも上方に配置させ
なければ、冷却された冷媒を基板載置台内に通過させる
ことができないという装置構成上の制約もある。

【０００８】２つ目の課題は、基板の温度制御をどのよ
うにして行うかというものである。特開平３−２３３９
２９号公報においては、液冷媒による冷却とヒータによ
る加熱とを併用する例が開示されているが、冷却と加熱
を同時に行うこととなるためエネルギー損失が非常に大
きい。

【０００９】３つ目の課題は、ドライエッチング終了
後、基板をどのようにして取り出すかというものであ
る。ドライエッチング終了後、基板をそのまま大気中に
取り出すと、基板に結露の発生により、プロセスの信頼
性を著しく低下させるからである。この結露の発生を防
止するには、大気開放する前に予め基板温度を上昇させ
ておく必要があるが、真空断熱下では冷却操作を停止し
ても、自然放置によって基板を常温に戻すためには数時
間を要し、スループットを著しく低下させることとな
る。

【００１０】なお、特開平２−３０８５２８号公報に開
示された装置においては、基板の搬入部からエッチング
・チャンバへ向かって順次温度を低下させた複数の冷却
室、逆にエッチング・チャンバから基板搬出部へ向かっ
て順次温度を上昇させた複数の加熱室が設けられたこと
により、基板の取出時の結露発生を防止できる。しかし
ながら、複数の冷却室および加熱室を必要とすることか
ら、装置の大型化、高コスト化を免れられない。

【００１１】そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、冷媒の補給を必要としないこ
と、装置構成上の制約が少なく、省スペース化が図れる
こと、エネルギー損失を抑えて基板を所定温度に効率的
に調節できること、基板の取り出し時に結露を発生させ
ないこと、といった条件を満たす低温処理装置を提供す
ることを目的とする。また、この低温処理装置を用いた
低温処理方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る低温処理装
置は、上述の目的を達成するために提案されたものであ
り、処理室内の基板載置台に載置された基板に対して所
定の低温処理を施す低温処理手段と、前記基板載置台の
冷却／加熱を通じて前記基板の温度を調節する温度調節
手段とを有するものであって、前記温度調節手段は、液
化温度の異なる冷媒をそれぞれ循環させる複数の圧縮冷
凍サイクルが組み合わせられてなる多元冷凍サイクルを
有するものである。

【００１３】ここで、各圧縮冷凍サイクル内にて循環す
る各冷媒は、圧縮器内で断熱圧縮して圧縮蒸気となり、
凝縮器内にて凝縮熱が奪われて液化し、膨張弁を経て断
熱自由膨張して低温低圧となり、蒸発器にて被冷凍物か
ら熱を奪って気化する、という逆ランキンサイクルを繰
り返している。そして、ある段の圧縮冷凍サイクルにお
ける凝縮器が前段の蒸発器となるように、各圧縮冷凍サ
イクルが直列につながれて多元冷凍サイクルを構成して
いる。但し、最終段の圧縮冷凍サイクルにおいては、基
板載置台が蒸発器に相当する。なお、後段の圧縮冷凍サ
イクルほど、液化温度の低い冷媒を循環させる。

【００１４】そして、本発明に係る低温処理装置におい
て、上述した最終段の圧縮冷凍サイクルは、圧縮器から
凝縮器に至る冷媒流路の中途部の分岐点より分岐され、
膨張弁から前記基板載置台に至る冷媒流路の中途部に開
口する加熱ガス供給用のバイパス路と、前記分岐点にて
前記加熱ガスの流入方向を切り替える切り替え弁と、前
記基板載置台上の基板の測定温度に基づいて前記切り替
え弁を作動させるコントローラとを有するものであって
好適である。

【００１５】また、前記多元冷凍サイクルは、前記圧縮
冷凍サイクルが３個組み合わせられた３元冷凍サイクル
であって好適である。そして、圧縮冷凍サイクルのそれ
ぞれには、液化温度の異なる３種類のフルオロカーボン
系冷媒を循環させて好適である。

【００１６】なお、最終段の圧縮冷凍サイクルにおいて
は、その流路の一部が、低温処理手段における基板載置
台内を通ることとなる。このため、低温処置手段と接続
部における流路を二重真空断熱配管で構成し、冷媒を低
温に維持できるようにして好適である。

【００１７】以上のような構成を有する低温処理装置を
用いると、温度調節手段によって基板の温度を調節しな
がら、低温処理手段によって該基板に対する所定の低温
処理を行うことができる。例えば、凝縮器および膨張弁
を経た冷媒を基板載置台内に通過させれば、基板を−１
００℃以下に冷却することができ、切り替え弁にて冷媒
の流路を切り替えて圧縮器を経た冷媒を直接基板載置台
内に通過させれば、短時間で基板を常温以上に加熱する
こともできる。このため、基板に対する広い温度領域で
の処理が可能である。なお、低温処理としては、ドライ
エッチングを行って好適である。

【００１８】

【作用】本発明に係る低温処理装置は、冷媒を閉サイク
ル内にて循環させることによって基板の温度を調節する
ものであるため、冷媒の補給を必要としない。また、こ
の低温処理装置においては、基板載置面をいずれの方向
に向けた基板載置台に対しても冷却／加熱が行え、基板
を上面載置することができる。このため、ロードロック
チャンバ等を備えて真空内で基板を自動搬送するシステ
ム内で用いることができ、基板の取り出し時に、処理チ
ャンバを大気開放する必要がない。

【００１９】また、逆ランキンサイクルを行わせる圧縮
冷凍サイクルにおいては、冷媒を強制循環させることが
できるため、基板載置台と圧縮冷凍サイクルの流路との
重力方向の位置関係に制約がない。このため、本発明に
係る低温処理装置は装置構成の自由度が大きい。

【００２０】また、本発明では、多元冷凍サイクルを適
用しているため、圧縮冷凍サイクル１段当りで生ずる冷
媒の体積膨張が小さく、各圧縮冷凍サイクル内でこの膨
張分の体積を吸収できる。このため、いずれの圧縮冷凍
サイクルにおいても熱膨張分の体積を吸収するタンクが
必要ない。

【００２１】さらに、最終段の圧縮冷凍サイクルにおい
ては、基板の測定温度に基づいて切り替え弁を作動させ
ることにより、基板載置台内に流入させる温度調節媒体
を、凝縮器および膨張弁を経て液化温度まで冷却した冷
媒、あるいは、バイパス路を経た高温のガスのいずれか
に切り替えることができる。このため、基板載置台の冷
却／加熱が効率的に行え、基板の温度を冷媒の液化温度
近傍から常温以上の温度までの広い温度範囲に亘って迅
速に昇降することができ、エネルギー損失も小さい。

【００２２】これにより、１台の装置で幅広い温度領域
での処理が可能となるため、例えば、基板を−１００℃
以下に冷却しながらドライエッチングを行った後、基板
を常温まで加熱してから取り出すこともでき、結露の発
生も防止できる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて、図面を参照しながら説明する。ここでは、本発明
に係る低温処理装置を半導体装置の製造プロセスに用い
られる平行平板型低温ＲＩＥ装置に適用した。

【００２４】実施例１本実施例に係る平行平板型低温ＲＩＥ装置は、図１に示
されるように、ウェハ１に対して実際にＲＩＥを行うエ
ッチングユニット２と、ウェハ１の温度を調節する温度
調節ユニット３とからなる。

【００２５】エッチングユニット２は、エッチング・チ
ャンバ４、該エッチング・チャンバ４内に配設されたウ
ェハ載置電極５、上部電極６とから構成される。上記チ
ャンバ４内は排気ポンプ７によって排気されるようにな
されており、上記上部電極６は、エッチング・ガス供給
源８に接続され、エッチング・ガスをウェハ１上に均一
に供給できるようになされている。また、上記ウェハ載
置電極５には、ＲＦ電源９が接続されている。

【００２６】一方、温度調節ユニット３は、液化温度の
異なる３種類のフルオロカーボン系冷媒をそれぞれ循環
させる３個の圧縮冷凍サイクル１１，１２，１３、冷却
水導入路１４よりなる。なお、上記３個の圧縮冷凍サイ
クル１１，１２，１３は、ある段の圧縮冷凍サイクルに
おける凝縮器が前段の蒸発器となるように直列につなが
れることにより、３元冷凍サイクルを構成している。

【００２７】最終段の圧縮冷凍サイクル（以下、第３次
圧縮冷凍サイクルとする。）１１は、最も液化温度の低
い冷媒（冷媒Ａとする。）を、第３次圧縮器１５、第３
次凝縮器１６、第３次膨張弁１７、第３次蒸発器に相当
するウェハ載置電極５内にこの順に循環させるものであ
る。

【００２８】この第３次圧縮冷凍サイクル１１には、第
３次圧縮器１５から第３次凝縮器１６に至る流路の中途
部の分岐点より分岐され、第３次膨張弁１６からウェハ
載置電極５に至る流路の中途部に開口するバイパス路１
９が設けられている。なお、この分岐点には、冷媒の流
入方向を切り替える切り替えバルブ２０が設けられ、バ
イパス路１９の中途部には逆流防止弁２０が設けられて
いる。そして、この切り替えバルブ２０には、ウェハ載
置電極５上のウェハ１の温度測定を行う温度計２２から
伝達される情報に基づいて該切り替えバルブ２０を作動
させるコントローラ２３が接続されている。

【００２９】このため、ウェハ１の測定温度に基づいて
切り替えバルブ２０を作動させることにより、ウェハ載
置電極５内に流入させる冷媒Ａを、第３次凝縮器１６お
よび第３次膨張弁１７を経て液化温度まで冷却したも
の、あるいは、バイパス路１９を経た高温のガスのいず
れかに切り替えることができ、ウェハ１の温度を冷媒Ａ
の液化温度近傍から常温以上の温度までのいずれの温度
にも調節することができる。

【００３０】上述したような第３次圧縮冷凍サイクル１
１の前段には、冷媒Ａよりも液化温度の高い冷媒Ｂを循
環させる第２次圧縮冷凍サイクル１２が設けられてい
る。なお、第２次圧縮冷凍サイクル１２においては、冷
媒Ｂを第２次圧縮器２４、第２次凝縮器２５、第２次膨
張弁２６、第３次凝集器１５へ順に循環させる。即ち、
第３次凝縮器１６は、第２次冷凍サイクル１２における
蒸発器でもある。

【００３１】さらに、上述したような第２次圧縮冷凍サ
イクル１２の前段には、冷媒Ｂよりも液化温度の高い冷
媒Ｃを循環させる第１次圧縮冷凍サイクル１３が設けら
れている。なお、第１次圧縮冷凍サイクル１３において
は、冷媒Ｃを第１次圧縮器２７、第１次凝縮器２８、第
１次膨張弁２９、第２次凝集器２５へ順に循環させる。
即ち、第２次凝縮器２５は、第１次冷凍サイクル１３に
おける蒸発器でもある。また、上記第１次凝縮器２８に
て冷媒Ｃから放出される熱は、冷却水導入路１４に導入
される冷却水に吸収させるようになされている。

【００３２】このような構成を有する温度調節ユニット
３においては、圧縮冷凍サイクル１段当りで生ずる冷媒
の体積膨張が小さいため、熱膨張分の体積を吸収するタ
ンクが必要ない。

【００３３】なお、上述したような温度調節ユニット３
における各圧縮冷凍サイクル１１，１２，１３は、各冷
媒Ａ，Ｂ，Ｃの温度を保つために外界から断熱される。
但し、第３次圧縮冷凍サイクル１１においては、その流
路の一部がエッチングユニット２のウェハ載置電極５内
を通過するために、温度調節ユニット３とエッチングユ
ニット２との接続部、即ち、ウェハ載置電極５の上流側
および下流側の流路を二重真空断熱配管３０で構成し
た。

【００３４】実施例２以下、上述したドライエッチング装置を用い、シリコン
基板上にタングステンシリサイド層が形成されたウェハ
１に対して、−８０℃にてドライエッチングを行った例
について説明する。

【００３５】先ず、ウェハ１をエッチング・チャンバ４
内のウェハ載置電極５上に載置した後、各圧縮冷凍サイ
クル１１，１２，１３に以下の冷媒Ａ，Ｂ，Ｃを循環さ
せ、ウェハ載置電極５の冷却を通じてウェハ１を冷却し
た。

【００３６】第３次圧縮冷凍サイクル１１の冷媒Ａ：ＣＦ₄（沸
点−１２８℃）第２次圧縮冷凍サイクル１２の冷媒Ｂ：ＣＨＦ
₃（沸点−８４℃）第１次圧縮冷凍サイクル１３の冷媒Ｃ：ＣＨＣｌＦ
₂（沸点−４１℃）また、冷却水導入路１４には冷却水を導入した。

【００３７】なお、第３次圧縮冷凍サイクル１１を循環
させる冷媒Ａの沸点は−１２８℃であるため、第３次凝
縮器１６および第３次膨張弁１７を通過させた冷媒Ａを
ウェハ載置電極５内に通過させると、該ウェハ載置電極
５が−８０℃以下にまで冷却される。このため、コント
ローラ２３に、予め−８０℃なる設定温度を記憶させて
おき、温度計２２による測定温度の方が設定温度よりも
低くなったときには、冷媒Ａをバイパス路１９を介して
直接ウェハ載置電極５内へ送るように、切り替えバルブ
２０を作動させて、該ウェハ載置電極５の温度を調節し
た。

【００３８】そして、ウェハ載置電極５を−８０℃に維
持した状態にて、ＳＦ₆／Ｃｌ₂混合ガスを供給しなが
ら、ＲＦ電力を供給して通常のエッチングを行った。こ
れにより、シリコン基板に対する選択比を確保しながら
タングステンシリサイド層を異方的にエッチングするこ
とができた。

【００３９】このようにしてドライエッチングを行った
後、エッチング・チャンバ４からウェハ１を取り出す前
には、切り替えバルブ２０を操作して、第３次圧縮器１
５を通過した冷媒Ａを第３次凝縮器１６および第３次膨
張弁１７を経由させず、バイパス路１９から直接ウェハ
載置電極５内へ送ることにより、該ウェハ載置電極５を
加熱した。

【００４０】なお、この高温ガスの温度は約８０℃であ
ったことから、ウェハ１を十分に加熱することができ、
ウェハ１の取り出し時に結露が発生することはなかっ
た。

【００４１】以上、本発明に係る低温処理装置およびこ
れを用いた低温処理方法の具体例について説明したが、
本発明は上述の実施例に限定されるものではない。例え
ば、実施例１では温度調節ユニット３を３元冷凍サイク
ルより構成したが、冷却温度によっては、圧縮冷凍サイ
クルを２個組み合わせた２元冷凍サイクルより構成して
も、圧縮冷凍サイクルを４個組み合わせた４元冷凍サイ
クルより構成してもよい。

【００４２】また、実施例２では、タングステンシリサ
イド層のドライエッチングのみを行ったが、様々な設定
温度によるエッチングを連続して行うことも可能であ
る。

【００４３】なお、冷媒の組合せも実施例２に示したも
のに限定されず、３元冷凍サイクルを構成する場合、第３次圧縮冷凍サイクルの冷媒：ＣＦ₄ （沸点−１
２８℃）第２次圧縮冷凍サイクルの冷媒：ＣＣｌＦ₃（沸点−８
１℃）第１次圧縮冷凍サイクルの冷媒：ＣＨＣｌＦ₂とＣ₂Ｃ
ｌＦ₅の混合冷媒（沸点−４５．６℃）のように冷媒を組み合わせてもよい。

【００４４】また、本発明を平行平板型低温ＲＩＥ装置
に適用したが、マグネトロンＲＩＥ装置、有磁場マイク
ロ波プラズマ（ＥＣＲプラズマ）エッチング装置、誘導
結合プラズマ（ＩＣＰプラズマ）エッチング装置、ヘリ
コン波プラズマエッチング装置等、従来公知のエッチン
グ装置のいずれに適用してもよい。

【００４５】さらに、低温ドライエッチングがなされる
ウェハの構成も上述したものに限定されない。例えば、
半導体装置の製造プロセスのみならず、フィールド・エ
ミッション・ディスプレイ（ＦＥＤ）や液晶表示素子
（ＬＣＤ）、太陽電池、マイクロマシーンの製造プロセ
ス等、優れた選択比や異方性を必要とするエッチングに
本発明の低温処理方法を適用することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る低温処理装置は、一台で−１００℃以下の低温か
ら常温以上の温度にまで、基板の温度を迅速に昇降させ
ることができる。即ち、設定温度が異なる処理を一台の
装置で行うことができるため、異なる温度での複数のプ
ロセスを同一処理室内で連続処理することや、低温処理
後に基板温度を即座に常温にまで昇温することも可能で
ある。

【００４７】また、該低温処理装置は、冷媒の補給を必
要とせず、また、基板を上面載置することができるた
め、ロードロックチャンバ等を備えて真空内で基板を自
動搬送するシステム内で用いることができ、基板の取り
出し時に処理チャンバを大気開放する必要がない。さら
に、装置構成の自由度が大きく、冷媒の熱膨張分の体積
を吸収するタンクも必要とせず、クリーンルームの省ス
ペース化も図れる。

【００４８】したがって、本発明を適用すると、スルー
プットを大幅に向上させることができ、また、製造コス
トおよび設備コストの大幅な削減も図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る低温処理装置の一例を概略的に示
す模式図である。

【符号の説明】

１ウェハ２エッチングユニット３温度調節ユニット５ウェハ載置電極１１第３次圧縮冷凍サイクル１２第２次圧縮冷凍サイクル１３第１次圧縮冷凍サイクル１５第３次圧縮器１６第３次凝縮器１７第３次膨張弁１９バイパス路２０切り替えバルブ２３コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内の基板載置台に載置された基板
に対して所定の低温処理を施す低温処理手段と、前記基
板載置台の冷却／加熱を通じて前記基板の温度を調節す
る温度調節手段とを有する低温処理装置において、前記温度調節手段は、液化温度の異なる冷媒をそれぞれ
循環させる複数の圧縮冷凍サイクルが組み合わせられて
なる多元冷凍サイクルを有することを特徴とする低温処
理装置。
【請求項２】前記多元冷凍サイクルの最終段の圧縮冷
凍サイクルは、圧縮器から凝縮器に至る冷媒流路の中途
部の分岐点より分岐され、膨張弁から前記基板載置台に
至る冷媒流路の中途部に開口する加熱ガス供給用のバイ
パス路と、前記分岐点にて前記加熱ガスの流入方向を切り替える切
り替え弁と、前記基板載置台上の基板の測定温度に基づいて前記切り
替え弁を作動させるコントローラとを有することを特徴
とする請求項１記載の低温処理装置。
【請求項３】前記温度調節手段は、前記圧縮冷凍サイ
クルが３個組み合わせられた３元冷凍サイクルを有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の低温処
理装置。
【請求項４】前記圧縮冷凍サイクルには、液化温度の
異なる３種類のフルオロカーボン系冷媒がそれぞれ循環
されることを特徴とする請求項３記載の低温処理装置。
【請求項５】前記所定の低温処理は、ドライエッチン
グであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のい
ずれか１項に記載の低温処理装置。
【請求項６】前記請求項１ないし請求項５のいずれか
１項に記載の低温処理装置を用い、温度調節手段による
基板載置台の冷却／加熱を通じて基板の温度を調節しな
がら、低温処理手段によって該基板に対する所定の低温
処理を行うことを特徴とする低温処理方法。
【請求項７】前記所定の低温処理として、ドライエッ
チングを行うことを特徴とする請求項６記載の低温処理
方法。