JPH09172001A - 半導体製造装置の温度制御方法および装置 - Google Patents

半導体製造装置の温度制御方法および装置

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JPH09172001A
JPH09172001A JP7348085A JP34808595A JPH09172001A JP H09172001 A JPH09172001 A JP H09172001A JP 7348085 A JP7348085 A JP 7348085A JP 34808595 A JP34808595 A JP 34808595A JP H09172001 A JPH09172001 A JP H09172001A
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仁志 藤井
Shinsuke Hirano
信介 平野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 設定温度の安定性および設定温度への応答性
を高めて高品質の製品を得ることのできるウエハの温度
制御方法および温度制御装置を提供する。 【解決手段】 半導体製造装置におけるウエハ１０の温
度制御を冷媒の流量制御と加熱源７の熱量制御とで行
う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置に
おけるウエハの温度制御方法および温度制御装置に関
し、特にウエハを低温で処理するエッチング装置等の半
導体製造装置内で行われる加工プロセス中において、ウ
エハの温度を設定温度に高精度に維持すると共に、設定
温度変更時の応答性を良くするウエハの温度制御方法お
よび温度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在の半導体技術では、デバイスの高集
積化、高密度化、高性能化等のため、加工プロセス技術
の向上が不可欠である。その中でも、特に、微細加工プ
ロセスに用いられるドライエッチング装置においては、
エッチングの高異方性を実現するため、加工プロセス中
のウエハの温度を極低温（−７０℃以下）で高精度に維
持する制御が必要とされる。即ち、エッチングレートや
選択比を高精度で制御するためには極低温状態でエッチ
ング処理することが必要である。また、半導体素子の微
細化に伴いパターン密度やコンタクトホールのアスペク
ト比が大きくなり、高い異方性によるエッチング精度の
向上を図らなければならない。この高異方性のために極
低温状態が必要となる。
【０００３】図２は、従来のプラズマエッチング装置の
構成図である。
【０００４】この装置は、真空チャンバー６１内の下部
電極６３上にウエハ７０を載置し、冷凍機６４から送ら
れてくる配管７１内の液体窒素やフロンガス等の冷媒に
より前記下部電極６３を介してウエハ７０を冷却しつつ
プラズマ雰囲気中で加工プロセスを実行する構成のもの
である。この場合、ウエハ７０の極低温への温度制御
は、下部電極６３の温度を検出したセンサー６６からの
信号を制御ボックス７２に入力し、制御ボックス７２か
らの指令で前記配管７１に介設されたメインバルブ５１
とバイパスバルブ５２の開度を制御して、冷媒の流量を
制御することにより行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体製造装置におけるウエハの温度制御は、冷媒
自体の温度制御が困難であるため、冷媒流量のフィード
バック制御により行っており、プラズマ停止時や外乱に
より、ウエハ７０の温度が設定温度（目標値）より下が
った場合には、設定温度に復帰するまで時間がかかる。
また、設定温度変更時の応答性も悪い。これをさらに具
体的に説明すると、従来のウエハの温度制御は、冷媒の
流量制御だけであり、加熱源を備えていない。したがっ
て、図４に示すように、プラズマ印加時にウエハが昇温
したときには、メインバルブ５１の開度を大きくして、
電極６３への冷媒の流量を増やすことにより、温度上昇
をある程度抑えることができる。しかしながら、プラズ
マ停止時や外乱により降温したときには、メインバルブ
５１を閉じてバイパスバルブ５２を開き冷媒による電極
上のウエハ７０の冷却を停止させるしか方法がなかっ
た。従って、目標値である設定温度に復帰するまで時間
がかかっていた。
【０００６】また、加工プロセス中は、ウエハ１０の温
度は−１００℃程度の極低温に下げられており、しかも
チャンバー６１内は真空であるため、ウエハ７０は一旦
極低温に下げられると、真空断熱によってその温度が保
持される。したがって、ウエハ処理終了後に−１００℃
から常温に戻す作業に半日以上もかかっていた。
【０００７】このように従来のウエハの温度制御は、設
定温度の安定性や設定温度への応答性が悪いため、前記
エッチングの高異方性の制御が充分達成されず、従って
微細なエッチング加工処理を高精度で行うことができ
ず、高品質の製品が得られなかった。
【０００８】本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みなさ
れたものであって、設定温度の安定性および設定温度へ
の応答性を高めて高品質の製品を得ることができる半導
体製造装置におけるウエハの温度制御方法および温度制
御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明においては、チャンバー内でウエハを処理す
る半導体製造装置における前記ウエハの温度制御を冷媒
の流量制御と加熱源の熱量制御とで行うことを特徴とす
る半導体製造装置の温度制御方法を提供する。好ましい
実施例においては、前記チャンバー内をプラズマ雰囲気
とし、ウエハを電極上に支持し、電極上のウエハの温度
を光ファイバー温度計で検出し、その検出信号により冷
媒の流量と加熱源の熱量とを制御して行うことを特徴と
している。
【００１０】さらに、別の好ましい実施例においては、
前記ウエハをエッチング処理することを特徴としてい
る。
【００１１】さらに、別の好ましい実施例においては、
ウエハ処理の設定温度上昇時に、冷媒を遮断し、加熱源
の熱量を制御して行うことを特徴としている。
【００１２】さらに、本発明においては、ウエハを支持
する電極と、この電極を収容するチャンバーと、前記電
極の冷却手段と、前記電極の加熱手段とを備えたことを
特徴とする半導体製造装置の温度制御装置を提供する。
【００１３】好ましい実施例においては、前記チャンバ
ーに真空排気手段を接続し、チャンバー内にプラズマ発
生手段を設け、前記電極にウエハ温度検出用の光ファイ
バー温度計を取付けたことを特徴としている。
【００１４】
【作用】ウエハの温度が設定温度より低い場合には、冷
媒の流量制御を停止してウエハの冷却を停止すると共
に、加熱源の熱量を制御してウエハを設定温度になるよ
うに加熱する。これにより、ウエハの温度制御を冷媒の
流量制御のみで行う従来技術に比して設定温度の安定性
および設定温度への応答性が高められる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係るプラズマエッ
チング装置におけるウエハの温度制御装置の一例を示す
基本構成図である。
【００１６】エッチング処理を行うための反応容器であ
るチャンバー１は、その内部に上部電極１７とこれに対
向する下部電極３とを備える。上部電極１７には反応ガ
ス供給管１８が接続される。また、下部電極３は処理す
べきウエハ１０の支持台となる。チャンバー１には排気
装置２が接続され、プロセス中に内部を真空にするとと
もにプロセス後は反応ガスをパージする。この構成によ
り、加工プロセス中には、前記下部電極３上にウエハ１
０が載置され、真空雰囲気中で両電極間に高周波バイア
スが印加され、これにより反応ガスが電離されてプラズ
マ状態となる。前記下部電極３には、冷却手段の一部を
構成する冷媒配管１１と、加熱手段であるセラミックヒ
ーター７とが設けられ、さらに蛍光式光ファイバー温度
計６が取付けられる。
【００１７】前記冷媒配管１１は、メインバルブ８とバ
イパスバルブ９とを介して、液体窒素やフロンガス等の
冷媒を循環させる冷凍機４に接続される。
【００１８】前記光ファイバー温度計６は、検出素子と
なる蛍光物質にキセノンランプからのパルス光を照射
し、温度に対応した残光量を検出することにより検出部
の温度を測定するものである。このような光ファイバー
温度計６を用いたのは、プラズマ印加時に生じるノイズ
の影響を受けることなく、正確に温度を検出することが
できるからである。
【００１９】この光ファイバー温度計６は下部電極３に
埋設され、その検出端部（蛍光物質）が電極表面に露出
する。従って、この例では電極３上に載置されたウエハ
１０の温度が直接検出される。この検出端部は光ファイ
バー１９を介して制御装置１２に接続される。制御装置
１２内には光電変換器が備わり、温度に対応した光量を
電圧に変換する。
【００２０】制御装置１２には、さらに前記冷媒配管１
１上のメインバルブ８およびバイパスバルブ９が接続さ
れ、ウエハ１０の温度に応じて、これらのメインバルブ
８とバイパスバルブ９の開度を調節し、冷媒の流量を制
御する。また、制御装置１２には、セラミックヒーター
７が接続され、ウエハの検出温度や検出温度に応じてこ
のセラミックヒーター７の熱量を制御する。
【００２１】このような構成により、ウエハ処理の設定
温度に応じて、これを目標値とし、光ファイバー温度計
６からの検出温度に基づいて、制御装置１２によりセラ
ミックヒーター７およびメインバルブ８、バイパスバル
ブ９をフィードバック制御することができる。
【００２２】下部電極３はウエハ出し入れのため上下移
動可能であり、また冷媒による氷結を防止するために真
空チャンバー１３上に支持される。この真空チャンバー
１３と反応室である前記チャンバー１とはシール用ベロ
ーズ１６を介して連結される。
【００２３】また、前記光ファイバー温度計６の光ファ
イバー１９およびセラミックヒーター７のケーブル２０
は、真空シール１４，１５を介して真空チャンバー１３
の側壁を通過する。
【００２４】上記構成の温度制御装置によれば、加工プ
ロセス中は、配管１１内を通る冷媒により、下部電極３
を介してウエハ１０が冷却されると共に、セラミックヒ
ーター７により、ウエハ１０の温度が下がり過ぎないよ
うに、下部電極３を介してウエハ１０が加熱され、光フ
ァイバー温度計６からのウエハ１０の温度を入力する制
御装置１２により冷媒の流量とセラミックヒーター７の
熱量とが制御されて、ウエハ１０は設定温度に安定に保
持される。
【００２５】図４は上記構成の温度制御装置における温
度制御状態のグラフである。この図２から分るように、
本発明では図３の従来例に比べ、設定値は安定して維持
される。即ち、プラズマ印加（ＯＮ）時の昇温やプラズ
マ停止（ＯＦＦ）時の降温による温度変化あるいは圧力
変化その他の状態変化時等の外乱による温度変化は、制
御装置１２による冷媒の流量制御とともに、セラミック
ヒーター７の熱量制御で調整され、従来の冷媒流量制御
のみによる温度制御に比べ、ウエハ１０は設定温度に安
定に保持される。
【００２６】また、加工プロセス終了後は、ウエハ１０
の温度は−１００℃程度の極低温に下げられており、し
かもチャンバー１内は真空である。この場合制御装置１
２によりセラミックヒーター７を作動させることによ
り、チャンバー内およびウエハを速やかに常温に戻すこ
とができる。
【００２７】尚、上記実施例においては、加熱手段をセ
ラミックヒーター７とし、温度計を光ファイバー温度計
６としたが、これに限るものではない。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、ウエハの温度制御を冷媒の流量制御と加熱源の熱量
制御とで行うことにしたため、ウエハを速やかに設定温
度状態にすることができ且つ安定してこの設定温度状態
に保持することができる。また、冷媒流量制御のみの場
合に比べ、加熱源の熱量制御による温度の微調整が可能
となり、高異方性のエッチング処理が高精度で行われ加
工プロセス技術の向上が図られ、微細パターンで高品質
な製品を提供することができる。
【００２９】また、加工プロセス終了後に加熱源を作動
させることにより、加熱源のない従来技術に比してウエ
ハを速やかに変更した設定温度あるいは常温にすること
ができ、装置の稼働率が向上し生産性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るウエハの温度制御方法を実施す
るための装置の一例を示す基本構成図である。
【図２】 従来のウエハの温度制御装置を示す構成図で
ある。
【図３】 図２の従来装置を使用した場合の温度制御
状態を示す説明図である。
【図４】 図１の本発明装置を使用した場合の温度制御
状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１：チャンバー、３：下部電極、４：冷凍機、６：光フ
ァイバー温度計、７：セラミックヒーター、８：メイン
バルブ、９：バイパスバルブ、１０：ウエハ、１１：冷
媒配管、１２：制御装置。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チャンバー内でウエハを処理する半導体
    製造装置における前記ウエハの温度制御を冷媒の流量制
    御と加熱源の熱量制御とで行うことを特徴とする半導体
    製造装置の温度制御方法。
  2. 【請求項２】 前記チャンバー内をプラズマ雰囲気と
    し、ウエハを電極上に支持し、電極上のウエハの温度を
    光ファイバー温度計で検出し、その検出信号により冷媒
    の流量と加熱源の熱量とを制御して行うことを特徴とす
    る請求項１に記載のウエハの温度制御方法。
  3. 【請求項３】 前記ウエハをエッチング処理することを
    特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置の温度制御
    方法。
  4. 【請求項４】 ウエハ処理の設定温度上昇時に、冷媒を
    遮断し、加熱源の熱量を制御して行うことを特徴とする
    請求項１に記載の半導体製造装置の温度制御方法。
  5. 【請求項５】 ウエハを支持する電極と、この電極を収
    容するチャンバーと、前記電極の冷却手段と、前記電極
    の加熱手段とを備えたことを特徴とする半導体製造装置
    の温度制御装置。
  6. 【請求項６】 前記チャンバーに真空排気手段を接続
    し、チャンバー内にプラズマ発生手段を設け、前記電極
    にウエハ温度検出用の光ファイバー温度計を取付けたこ
    とを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置の温度
    制御装置。
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