JPH09306979A - 恒温回転ステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的制御のみによって、ウエハの温度を均
一、かつ高精度に制御できる簡単なプラズマエッチング
用恒温回転ステージ装置を提供する。 【解決手段】 被処理基板を保持する板状ステージホ
ルダ１と、このステージホルダ１に接して設けられた電
気的な制御により加熱及び冷却作用を有するサーモモジ
ュール３と、サーモモジュール３に接して設けられた良
熱伝導性を有する吸放熱器４と、ステージホルダ１、サ
ーモモジュール３、吸放熱器４を順次密着させて固定す
る固定部材２，５と、板状ステージホルダ１の温度をモ
ニターするために設けられた温度センサ８と、サーモモ
ジュール３に電力を供給する直流電源と、温度センサ８
の出力に基づいて直流電源の電力を制御する制御装置と
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、恒温回転ステー
ジに係わり、特に簡単な構造で、ウエハに均一な恒温を
実現するプラズマエッチング恒温回転ステージ装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、エッチングチャンバー内でプラ
ズマを形成し、試料ウエハのエッチングを行なう場合、
試料の温度が均一でないと加工速度が不均一になって加
工精度や形状の均一性を維持することができない。従っ
て、試料を置くステージの温度を要求されるエッチング
温度に恒温保持することは、エッチング加工の効率、精
度、形状均一性、エッチングの再現性などを向上させる
上で効果があり、そのための恒温回転ステージ装置が要
望されている。

【０００３】従来知られているエッチング用の恒温回転
ステージ装置として、図４に示すようなヒーターによる
加熱と循環冷却水による冷却を併用する方法がある。図
中、符号Ｗはウエハ、２１はステージホルダ、２２はヒ
ーター、２３は熱電対などの温度モニター機構、２４は
反射板、２５は循環水の冷却系統、２６は回転軸であ
る。

【０００４】この動作は次の通りである。ヒーター２２
への通電により反射板２４がステージホルダをエッチン
グ温度まで輻射加熱する。エッチングは、ステージホル
ダ２１を駆動機構２６によって回転させながら、またほ
ぼ室温の冷却水をステージホルダ２１内に循環させなが
ら行なう。プラズマの照射によるステージホルダ２１の
温度上昇は、循環冷却水の冷却作用とヒーター２２の補
償加熱の組み合わせによって行われ、これによりエッチ
ングステージホルダ２１が恒温に維持される。

【０００５】この場合、ヒーター２２と反射板２４が、
ステージホルダ２１をエッチング温度まで加熱する際の
熱流は、主にステージホルダ２１の周囲からの熱輻射と
伝導によってホルダ２１に達する。また、エッチングの
際のプラズマの照射によるステージホルダ２１の温度上
昇は循環冷却水の冷却作用によって抑えており、その冷
却作用の行き過ぎる部分をヒーター２２の加熱によって
補償し、エッチングステージホルダ２１を恒温にしてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す従来の恒温回転ステージ装置においては、真空チャ
ンバーにある恒温回転ステージ装置に冷却水を供給する
ことが必要であるので、装置が複雑となってしまう欠点
がある。また、循環冷却水の冷却作用とヒーター２２の
補償加熱の組み合わせによって、ステージホルダ２１に
温度勾配が現れやすいのでウエハＷの温度分布が不均一
になってしまい、所要の均一度が得られない。さらに、
この温度勾配が動的に変動しているので、ウエハＷの温
度制御の精度が低いなどの問題点があった。

【０００７】本発明は上述の事情に鑑みて為されたもの
で、電気的制御のみによって、ウエハの温度を均一、か
つ高精度に制御できる簡単なプラズマエッチング用恒温
回転ステージ装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、被処理基板を保持する板状ステージホルダと、この
ステージホルダに接して設けられた電気的な制御により
加熱及び冷却作用を有するサーモモジュールと、該サー
モモジュールに接して設けられた良熱伝導性を有する吸
放熱器と、上記ステージホルダ、サーモモジュール、吸
放熱器を順次密着させて固定する固定部材と、該板状ス
テージホルダの温度をモニターするために設けられた温
度センサと、該サーモモジュールに電力を供給する直流
電源と、該温度センサの出力に基づいて上記直流電源の
電力を制御する制御装置とを有することを特徴とする恒
温回転ステージ装置である。

【０００９】サーモモジュールの上に板状ステージホル
ダ、下に吸放熱器が設置された熱交換ユニットは、ステ
ージホルダとの面接触を通じて直接に熱交換を行い、そ
の制御は電気的に容易にかつ均一に行うことができる。
従って、ホルダ上のウエハのエッチング温度の高精度恒
温制御および均一分布を達成することができる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、上記サーモモジ
ュールはペルチエ効果を利用するものであることを特徴
とする請求項１に記載の恒温回転ステージ装置である。
これにより、サーモモジュールに印加する直流電圧や流
す電流を適切な値とすることにより、ステージホルダの
温度を迅速かつ正確に、応答性良く制御することができ
る。また、電源の極性を変えることにより、ステージホ
ルダを加熱と冷却を切り換えることもできる。このよう
に、一つの機構で加熱と冷却の二つの機能を持つので、
エッチング用の恒温回転ステージ装置をより安価、かつ
簡単に構成することができる。

【００１１】請求項３に記載の発明は、上記熱交換ユニ
ットを回転させる駆動機構を有することを特徴とする請
求項１に記載の恒温回転ステージ装置であるので、様々
な処理を被処理基板の各位置に均等に行なうことができ
る。請求項４に記載の発明は、前記熱交換ユニットを回
転させる回転軸に真空シール機構が設けられていること
を特徴とする請求項３に記載の恒温回転ステージ装置で
ある。請求項５に記載の発明は、上記サーモモジュール
を雰囲気から保護するシール部材が設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の恒温回転ステージ装置で
あるので、腐食性雰囲気においても耐用性が高く、長期
に安定な温度制御を行なうことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る恒温回転ステ
ージ装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１
及び図２は、本発明の第１実施の形態の恒温回転ステー
ジ装置の説明図であって、ウエハＷを載置すべき板状の
ホルダ１と固定板２の間にサーモモジュール３と吸放熱
器４が挟み込まれ、断熱性ワッシャ５ａとスペーサ５ｂ
を介してボルト５によって固定されて構成されている。

【００１３】サーモモジュール３は、一対の熱伝導性の
良い板６ａ，６ｂの間に多数の素子７が平面内に均等に
分散して配置されているものである。これは、２つの金
属の接合部を通って電流が流れたときに、その接合部に
おいて熱が発生し、あるいは吸収されるいわゆるペルチ
エ効果を利用する周知のものである。サーモモジュール
３にはペルチエ効果を与える電流を流す直流低圧電源
（図示せず）が接続されている。

【００１４】サーモモジュール３は、上面をステージホ
ルダ１の下に密接に面接触させ、下面を、吸放熱器４に
密接に面接触させている。吸放熱器４は、熱伝導性が良
い素材の平板４ａと円筒４ｂが一体に形成され、サーモ
モジュール３の温度に応じて吸熱又は放熱を行う。な
お、これらのステージホルダ１とサーモモジュール３、
サーモモジュール３と吸放熱器４はボルト５による結合
で充分密接に接触している。なお、各接触面の微少な隙
間に熱伝導性の良い充填剤を配しても良い。

【００１５】ステージホルダ１には、所定の箇所に温度
をモニターする熱電対８が設けられ、これは図示しない
制御装置に接続されている。この例のステージ装置は吸
放熱器４の円筒部４ｂが回転軸９を取り囲むようにして
回転軸９に取り付けられている。回転軸９は図示しない
駆動機構により所定速度で回転させられ、これにより、
エッチングが均一に行われる。

【００１６】この実施の形態の恒温ステージ装置の動作
は次のとおりである。サーモモジュール３の放熱面を上
の面にするように直流低圧電源を設置し、この電源によ
り、サーモモジュール３に比較的大きな電圧(例えば、6
〜10V)を印加し、２〜３Ａ程度の電流を流す。サーモモ
ジュール３の放熱によって、ステージホルダ１を要求温
度（例えば、１００℃）まで加熱する。

【００１７】ステージホルダ１及びウエハＷが要求温度
に到達した後は、プラズマ処理が行われ、制御装置によ
って、温度センサ８の出力値及びその他の検出値や条件
を基に、直流低圧電源の極性、及び電流電圧が調整さ
れ、ホルダ１の温度が一定に維持される。極性を変える
ことにより、サーモモジュール３の上の面を、吸熱面に
したり或いは放熱面にしたりすることができる。このよ
うな制御においては、サーモモジュール３がペルチエ効
果を利用したものであり、温度制御における応答性が高
いので、ステージホルダ１は要求温度に対して±１℃の
範囲で制御することができた。

【００１８】図３は、本発明の第２実施の形態の恒温回
転ステージ装置の説明図である。この装置が図１及び図
２に示す装置と異なる点は、ホルダ１と固定板２の間の
サーモモジュール３を取り囲む空間に断熱性のシール材
１０を配し、サーモモジュール３をチャンバ内雰囲気か
ら遮断したものである。これにより、例え、チャンバ内
が腐食性雰囲気になってもサーモモジュール３を保護す
ることができ、常に安定した温度制御を行なうことがで
きる。

【００１９】また、この例では、回転軸９を真空シール
部１１によって支持することによって、真空チャンバ内
での安定した回転状態を維持するようにしている。この
真空シール部１１はＯリングガスケットや磁性流体シー
ルやウィルソンシールとなっている。

【００２０】尚、これらの実施の形態においては、熱交
換ユニット（ステージホルダ１、サーモモジュール３、
吸放熱器４及び固定板２）を四角形としたが、円形及び
他の多角形としても勿論よい。また、加工源はプラズマ
ビームに限るものではなく、イオン、電子などのビーム
や光線等でもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成の設備によって均一な温度分布や精確な温度
制御が可能な恒温回転ステージ装置が提供される。従っ
て、これを用いて半導体ウエハなどのエッチングの加工
を行えば、加工の効率、精度、形状均一性、エッチング
の再現性など高いエッチング加工性を確保することがで
き、半導体の微細加工などに広い応用可能である。ま
た、循環水による冷却系統や、ヒーターと反射板などの
加熱系統の代わりに一つの熱交換ユニットで済むため、
プラズマエッチング恒温回転ステージ装置の小型化、製
造コストの削減に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の恒温回転ステージ
装置の断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の恒温回転ステージ
装置を分解して示す斜視図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の恒温回転ステージ
装置の断面図である。

【図４】従来のエッチング恒温回転ステージ装置の分解
斜視図である。

【符号の説明】

Ｗ ウエハ １ ステージホルダ ２ 固定板 ３ サーモモジュール ４ 吸放熱器 ５ 連結ネジ ８ 熱電対 ９ 回転軸 １０ 断熱シール材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板を保持する板状ステージホル
   ダと、 このステージホルダに接して設けられた電気的な制御に
   より加熱及び冷却作用を有するサーモモジュールと、 該サーモモジュールに接して設けられた良熱伝導性を有
   する吸放熱器と、 上記ステージホルダ、サーモモジュール、吸放熱器を順
   次密着させて固定する固定部材と、 該板状ステージホルダの温度をモニターするために設け
   られた温度センサと、 該サーモモジュールに電力を供給する直流電源と、 該温度センサの出力に基づいて上記直流電源の電力を制
   御する制御装置とを有することを特徴とする恒温回転ス
   テージ装置。
2. 【請求項２】 上記サーモモジュールはペルチエ効果を
   利用するものであることを特徴とする請求項１に記載の
   恒温回転ステージ装置。
3. 【請求項３】 上記熱交換ユニットを回転させる駆動機
   構を有することを特徴とする請求項１に記載の恒温回転
   ステージ装置。
4. 【請求項４】 前記熱交換ユニットを回転させる回転軸
   に真空シール機構が設けられていることを特徴とする請
   求項２に記載の恒温回転ステージ装置。
5. 【請求項５】 上記サーモモジュールを雰囲気から保護
   するシール部材が設けられていることを特徴とする請求
   項１に記載の恒温回転ステージ装置。