WO2019155808A1 - 基板載置台及びこれを備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

基板載置台及びこれを備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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WO2019155808A1
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electrostatic chuck
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mounting table
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靖之 林
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Ｓｐｐテクノロジーズ株式会社
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    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
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Definitions

  • the present invention relates to a substrate mounting table on which a substrate to be subjected to plasma etching processing or the like in a chamber, for example, a semiconductor wafer is mounted in an electrostatic adsorption state, a plasma processing apparatus including the same, and a plasma processing method.
  • a semiconductor substrate as a workpiece to be processed is mounted on a substrate mounting table disposed in a chamber, and a predetermined gas is supplied into the chamber to form plasma, and etching is performed on the substrate by using the plasma processing gas.
  • Plasma processing apparatuses that perform processing are known.
  • a substrate mounting table suitable for plasma processing an electrostatic chuck containing an electrostatic chucking electrode and a substrate heating heater, and a cooling jacket disposed below the electrostatic chuck Have been developed (Patent Documents 1 and 2).
  • a voltage is applied to the electrode for electrostatic attraction, thereby causing dielectric polarization in the dielectric layer from the electrode surface to the upper end chuck surface of the electrostatic chuck, and static electricity generated between the substrate and the substrate.
  • the substrate is attracted and held on the chuck surface by electric power.
  • the substrate is subjected to an etching process or the like while maintaining the substrate at a predetermined temperature by temperature control using a heater and a cooling jacket.
  • the temperature control of the electrostatic chuck and the substrate by the heater and the cooling jacket has a problem that it is difficult to appropriately control the temperature of the electrostatic chuck and the substrate due to the ambient environment of the substrate mounting table, for example, the temperature in the chamber. .
  • the ambient environment of the substrate mounting table for example, the temperature in the chamber.
  • a large amount of heat from the heated electrostatic chuck escapes to the outside through the lower cooling jacket. For this reason, a large heater capacity is required, which causes wasteful power consumption.
  • the object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the influence of external factors such as the temperature in the chamber on the electrostatic chuck and the cooling jacket, and facilitates temperature control of the substrate and the electrostatic chuck. It is an object of the present invention to provide a substrate mounting table that can be used, a plasma processing apparatus including the same, and a plasma processing method.
  • the present invention provides: A substrate mounting table for electrostatically adsorbing a substrate to be processed, An electrostatic chuck comprising an upper disk part containing an electrode for electrostatically adsorbing the substrate, and a lower disk part having a larger diameter than the upper disk part and having a heater built in the lower side of the upper disk part; , A cooling jacket disposed on the lower side of the lower disk portion for cooling the electrostatic chuck; A focus ring that is disposed radially outward of the upper disk part and covers the upper surface of the lower disk part; An upper annular cover for heat insulation surrounding at least a part of the cooling jacket and the lower disk part; A lower annular cover for heat insulation sandwiching the cooling jacket with the upper annular cover, The focus ring, the upper annular cover, and the lower annular cover relate to a substrate mounting table made of ceramic.
  • the focus ring that surrounds the upper surface of the electrostatic chuck and the cooling jacket and the outer side in the radial direction, and the upper and lower annular covers for heat insulation are made of ceramic. The influence can be reduced, and efficient temperature control can be performed on the electrostatic chuck and the substrate.
  • the heater arrangement region has a diameter larger than the diameter of the substrate.
  • the heater arrangement area is set to a diameter larger than the substrate diameter, the temperature distribution on the electrostatic chuck is made uniform from the center of the substrate to the outer peripheral edge. can do.
  • An outward flange portion is integrally formed on the radially outer peripheral surface of the cooling jacket, It is preferable that the flange portion is sandwiched from above and below by the upper annular cover and the lower annular cover.
  • a minute gap is formed that extends over the entire area of the heater and is sealed from the outside. It is preferable that the minute gap is configured to be switchable between a helium gas filling state and a vacuum state by being connected to a helium gas supply unit and a vacuum pump in a switchable manner.
  • the minute gap is set in a vacuum state at the time of initial temperature rise in a non-processing state and at the time of standby at a constant temperature. Therefore, it is possible to block the heat of the electrostatic chuck from escaping to the lower cooling jacket, and to maintain an efficient initial temperature rise and a standby state at a predetermined temperature.
  • the minute gaps are filled with helium gas, so that the heat from the high-temperature substrate can be quickly released to the cooling jacket via helium gas with good heat transfer, and efficient heat removal can be achieved. It can be carried out.
  • the electrostatic chuck is preferably made of aluminum nitride.
  • the present invention also provides a plasma processing apparatus in which the substrate mounting table is built in a chamber.
  • This plasma processing apparatus includes the substrate mounting table that facilitates temperature control of the substrate and the electrostatic chuck, so that temperature management during the processing of the substrate can be easily performed. Therefore, it is possible to avoid non-uniform processing results where reproducibility due to unstable or non-uniform wafer temperatures cannot be obtained.
  • the present invention also provides a substrate processing method, in the substrate mounting table having a minute gap between the substrate mounting table and the cooling jacket, at the time of initial temperature rise or standby in the substrate non-processing state,
  • the minute gap is in a vacuum state, and the minute gap is filled with helium gas during the substrate processing.
  • the heat of the electrostatic chuck is prevented from escaping to the lower cooling jacket, and an efficient initial temperature rise and a standby state at a predetermined temperature can be maintained.
  • the heat of the high-temperature substrate can be quickly released to the cooling jacket via the helium gas having a good heat transfer property, so that efficient heat removal can be performed.
  • the influence of external factors such as the temperature in the chamber on the electrostatic chuck and the cooling jacket can be reduced, and the temperature control of the substrate and the electrostatic chuck can be easily performed. Can be.
  • the plasma processing apparatus of the present invention it is possible to avoid a non-uniform processing result in which reproducibility due to an unstable or non-uniform wafer temperature cannot be obtained.
  • FIG. 3 is a plan view of the cooling jacket of FIG. 2.
  • substrate It is a graph which shows the time change of the electrostatic chuck temperature in the non-processing state, the amount of heat removal, and helium gas pressure.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma processing apparatus 1 of FIG. 1 is disposed in a chamber 11 having a closed space and is movable up and down by a lifting cylinder (not shown) in the chamber 11, and a substrate K to be processed such as a wafer is placed thereon.
  • the plasma generation device 30 that converts the etching gas, the protective film forming gas, and the inert gas supplied into the chamber 11 into plasma, the exhaust device 40 that reduces the pressure in the chamber 11, and the substrate mounting table 15 are used for plasma processing.
  • a high frequency power source 35 that supplies high frequency power and an electrostatic attraction power source 36 that applies a voltage for electrostatic attraction to the substrate mounting table 15 are configured.
  • a temperature adjustment system 50 including various devices for adjusting the temperature of the substrate mounting table 15 and the substrate K is provided.
  • the chamber 11 includes an upper chamber 12 and a lower chamber 13 having internal spaces communicating with each other.
  • the upper chamber 12 is formed so that the inner diameter thereof is smaller than that of the lower chamber 13.
  • An upper chamber heater (not shown) is provided inside the top plate of the upper chamber 12, while a lower chamber heater is provided as a block heater inside the side wall of the lower chamber.
  • This block heater is formed, for example, by incorporating a heating element into a block body made of aluminum.
  • Gas supply unit 20 as the etching gas, SF 6 and SF 6 gas supply unit 21 for supplying a gas, the protective film as a forming gas, SiF 4 gas and O 2 gas SiF supplies respective fourth gas supply unit 22 and the O 2
  • the gas supply part 23 and the inert gas supply part 24 which supplies Ar gas etc. as inert gas, for example are provided.
  • the gas supply pipe 25 has one end connected to the upper surface of the upper chamber 12 and the other end branched to supply an SF 6 gas supply unit 21, an SiF 4 gas supply unit 22, an O 2 gas supply unit 23, and an inert gas supply. Each is connected to the unit 24.
  • SF 6 gas supply unit 21, SiF 4 gas supply unit 22, O 2 gas supply unit 23 and the inert gas supply unit 24 supply pipe 25 from, SF 6 gas into the chamber 11, SiF 4 gas, O 2 gas And supplying an inert gas.
  • the above-described gas is used.
  • a gas such as HBr, Cl 2 , SF 6 , O 2 , Ar, or N 2 may be used.
  • the plasma generation device 30 is a device that generates inductively coupled plasma (ICP), and includes a spiral (annular) coil 31 disposed in the upper chamber 12 and a high-frequency power source 32 that supplies high-frequency power to the coil 31. It consists of and. By supplying high-frequency power to the coil 31 by the high-frequency power source 32, the SF 6 gas, SiF 4 gas, O 2 gas, and inert gas supplied into the upper chamber 12 are turned into plasma.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the high frequency power supply 35 connected to the substrate mounting table 15 supplies high frequency power to the electrostatic chuck 61 of the substrate mounting table 15 to give a bias potential between the electrostatic chuck 61 and the plasma, and SF 6 gas, Ions generated by converting the SiF 4 gas, the O 2 gas, and the inert gas into plasma are incident on the substrate K mounted on the substrate mounting table 15.
  • SF 6 gas, SiF 4 gas, O 2 gas, or the like is used in the plasma generation.
  • a gas such as N 2 may be used depending on the object to be etched.
  • the exhaust device 40 includes a vacuum pump 41 that sucks and exhausts the gas in the chamber 11, and an exhaust pipe 42.
  • the exhaust pipe 42 has one end connected to the vacuum pump 41 and the other end connected to the lower chamber. 13 is connected to the side surface.
  • the vacuum pump 41 sucks the gas in the chamber 11 through the exhaust pipe 42, and the inside of the chamber 11 is evacuated.
  • the temperature adjustment system 50 includes a heater power source 53 that supplies power to the heater 72 in the substrate mounting table 15, a chiller unit 51 that supplies a cooling refrigerant to the substrate mounting table 15, and helium having good heat transfer properties.
  • a helium gas supply unit 52 for supplying a gas (hereinafter referred to as He gas) to the substrate mounting table 15 and a vacuum layer for heat insulation (a minute gap 80 in FIG. 2 described later) in the substrate mounting table 15 are formed.
  • a vacuum pump 54 As the vacuum pump 54, the aforementioned vacuum pump 41 for the chamber can be used.
  • FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of the substrate mounting table 15 of FIG. 2 is connected to an electrostatic chuck 61 made of aluminum nitride, a cooling jacket 62 made of aluminum disposed below the electrostatic chuck 61, and a lower side of the cooling jacket 62.
  • a bracket 63 that forms a lift space for a wafer lifter driven by the lift cylinder 19 and a focus ring 64 disposed on the upper side of the electrostatic chuck 61 are configured.
  • the electrostatic chuck 61 has an upper disk part 61a in which an electrode 71 for electrostatic adsorption is built, and a lower disk part having a larger diameter than the upper disk part 61a and in which a heater 72 is built in. 61b.
  • the electrostatic chuck 61 is integrally formed of an upper disk part 61a and a lower disk part 61b.
  • the substrate mounting table 15 in FIG. 2 includes an upper annular cover 65 for heat insulation that surrounds at least a part of the cooling jacket 62 and the lower disk portion 61b, and a lower side for heat insulation that surrounds the outer side of the bracket 63 in the radial direction.
  • the cooling jacket 62 is sandwiched between the upper annular cover 65 and the lower annular cover 66.
  • the electrode 71 for electrostatic attraction is connected to the power source 36 for electrostatic attraction, and the heater 72 for heating is connected to the power source 53 for heater of the temperature adjustment system 50.
  • the upper disk portion 61a is formed in substantially the same planar shape and the same size as the substrate K placed on the upper surface.
  • the heater 72 extends in a range of a diameter larger than the diameter of the substrate K in the lower disk portion 61b.
  • the cooling jacket 62 includes an upper jacket main body 62a and a lower bottom 62b.
  • the jacket main body 62 a is coupled to the lower surface of the electrostatic chuck 61 by a plurality of bolts 73.
  • the bottom 62b is fitted into the lower recess of the jacket main body 62a, and is fixed to the jacket main body 62a by welding or the like.
  • a coolant channel 74 for cooling is formed by the groove on the lower surface of the jacket main body 62a and the upper surface of the bottom 62b.
  • the plurality of bolts 73 are arranged on one circumference centered on the mounting table axis O1.
  • the refrigerant flow path 74 is formed in a spiral shape in a plan view, for example, and the refrigerant (Galden (registered trademark)) supplied from the chiller unit 51 flows through the connection port provided on the lower surface of the cooling jacket 62. By circulating through the path 74, the refrigerant that has taken away the heat of the wafer is returned to the chiller unit 51. In the chiller unit 51, the refrigerant is cooled and returned to the refrigerant flow path 74 again.
  • heat removal means that the heat of the wafer is released outside through the surface of the bottom 62b of the cooling jacket 61.
  • the heat of the wafer is released outside through the refrigerant, and a part of the heat of the wafer is radiated from the surface of the bottom 62b of the cooling jacket 61. This lowers the temperature of the wafer itself.
  • the space surrounded by the bottom 62b of the cooling jacket 62 and the mounting table support member 69 is at atmospheric pressure.
  • the refrigerant that has become hot due to the heat of the wafer is cooled in the chiller unit 51.
  • An outward flange portion 62c is integrally formed at the lower end portion of the outer peripheral end in the radial direction of the jacket main body 62a.
  • the flange portion 62c is composed of a ceramic upper annular cover 65 and a lower annular cover 66 for heat insulation. And are sandwiched from above and below.
  • An annular notch 65a is formed at the upper end portion of the upper annular cover 65, and an inward flange portion 68a formed in the outer case 68 is engaged with the notch 65a.
  • the upper end surface of the lower annular cover 66 abuts on the lower surface of the flange portion 62 c via the O-ring 75, and the lower end surface of the lower annular cover 66 abuts on the upper surface of the mounting table support member 69 via the O-ring 76.
  • the upper annular cover 65 and the lower annular cover 66 are tightened from above and below by screwing bolts 77 inserted into the bolt insertion holes at the outer peripheral end of the outer case 68 into the female screw holes of the mounting table support member 69. .
  • the focus ring 64 covers the upper surface of the lower disk part 61b outside the electrostatic disk 61 in the radial direction of the upper disk part 61a.
  • the substrate K placed on the upper end chuck surface of the upper disk portion 61 a is located at substantially the same height as the upper surface of the focus ring 64.
  • a minute gap 80 is formed between the upper surface of the jacket body 62a of the cooling jacket 62 and the lower surface of the electrostatic chuck 61 by increasing the surface roughness of the upper surface of the jacket body 62a.
  • an O-ring 81 or an annular metal seal is disposed on the inner side of the circumference constituted by a plurality of bolts 73 for fixing the electrostatic chuck. It is configured in a sealed circular shape in plan view.
  • a gas passage network 83 communicating with the central gas passage 82 of the shaft core O1 portion is formed on the upper surface of the jacket main body 62a.
  • the central gas passage 82 communicates with a joint 85 screwed to the bracket 63 via a gas passage 84 formed in the bottom portion 62b.
  • the joint 85 communicates with the vacuum pump 54 and the helium gas supply unit 52 of the temperature adjustment system 50 through a gas pipe 86 also serving as a suction pipe and a switching valve 87 so as to be switched.
  • the helium gas supply unit 52 communicates with the upper surface (chuck surface) of the upper disk portion 61a through a joint 98 screwed to the bracket 63 and a gas passage, and can supply He gas to the back surface of the substrate K. It is configured as follows.
  • FIG. 3 is a plan view of the cooling jacket 62 of FIG.
  • a gas passage network 83 formed in a circular minute gap 80 surrounded by an O-ring 81 includes an outer annular passage 83a, an inner annular passage 83b, and both annular passages 83a and 83b.
  • He gas supplied from the central gas passage 82 is evenly distributed over the entire circular minute gap 80. It is comprised so that it can supply to.
  • the cooling jacket 62 is provided with a plurality of holes through which wiring for each power source is passed. Specifically, high-frequency power is applied to holes 90 and 96 through which wiring for electrostatic chuck power is passed, holes 93 and 94 through which wiring for heater power is passed, holes 89 and 97 for temperature monitor sensors, and electrodes on the mounting table. A hole 92 through which a wiring for applying a high frequency power is passed is provided. Further, lifter holes 88, 91, and 95 for lifting the back surface of the substrate K are provided.
  • FIG. 4 is an explanatory view of the operation when the minute gap 80 is in a vacuum state at the time of temperature rise or standby
  • FIG. 5 is when the minute gap 80 is in a He gas filling state during the process of placing the substrate K.
  • FIGS. 4 and 5 are action explanatory views showing changes in the state in the minute gap 80, the solid line arrows show the heat transfer state, the white arrows show the He gas movement state, A broken arrow indicates a heat insulation state.
  • the minute gap 80 is actually a thickness of several ⁇ m to several tens of ⁇ m, but is expressed in a greatly exaggerated state. As shown in FIG.
  • the minute gap 80 is connected to the vacuum pump 54, and the He gas in the minute gap 80 is sucked to make the minute gap 80 in a vacuum state. Therefore, the minute gap 80 serves as a heat insulating layer, and it is possible to prevent the heat from the heater 72 from passing to the cooling jacket 62 side.
  • the elevating cylinder 19 of FIG. 1 is lowered to place the substrate (wafer) K on the substrate mounting table 15 and attracted and held by the electrostatic chuck 61.
  • the inside of the chamber 11 is heated to 120 ° C., for example, and the substrate K is heated to 200 ° C. by the heater 72 of the electrostatic chuck 61.
  • SF 6 gas, SiF 4 gas, O 2 gas, inert gas, and the like supplied from the gas supply apparatus 20 into the upper chamber 12 by supplying high-frequency power to the coil 31 from the high-frequency power supply 32. Is turned into plasma.
  • a high frequency voltage is also applied to the electrostatic chuck 61 from the high frequency power source 35.
  • a potential difference is generated between the electrostatic chuck 61 and the plasma in the chamber 11, and ions in the plasma move toward the electrostatic chuck 61 due to the potential difference and collide with the surface of the substrate K. Etching is performed on the surface of the substrate K.
  • SF 6 gas SiF 4 gas, O 2 gas, or the like is used in the plasma generation.
  • a gas such as N 2 may be used depending on the object to be etched.
  • the minute gap 80 is vacuumed because He gas is sucked by the vacuum pump 54. It is in a state.
  • the minute gap 80 serves as a heat insulating layer, prevents heat from the heater 72 from passing to the cooling jacket 62 side, and prevents the heat from passing upward by the focus ring 64.
  • the upper annular cover 65 prevents the heat from escaping outward. Thereby, the heat from the heater 72 can be collected in the central upper disk part 61. That is, the heat of the heater 62 can be efficiently collected in the upper disk portion 61. Therefore, efficient temperature rise can be achieved, power consumption of the heater 72 can be reduced, and energy saving can be achieved.
  • the minute gap 80 is in a He gas filling state.
  • the amount of heat generated by the substrate K is large, and it tends to be higher than a predetermined temperature of 200 ° C.
  • the minute gap 80 is filled with He gas having a good heat transfer property, the heat of the substrate K can quickly pass through the minute gap 80 and reach (release) the cooling jacket 62. Therefore, the heat of the substrate K can be quickly removed to cool the substrate K. That is, it is possible to efficiently remove the heat from the substrate K.
  • the back surface of the substrate K is filled with He gas having good heat transfer properties, the temperature distribution on the surface of the substrate K can be made uniform. Therefore, it is possible to suppress variations in the etching shape and etching rate due to variations in the temperature distribution on the surface of the substrate K.
  • the electrostatic chuck 61 and the cooling jacket 62 shown in FIG. 2 are made of a ceramic focus ring 64 and a ceramic that have high heat insulating properties over the entire upper surface excluding the placement region of the substrate K and the entire outer region in the radial direction of the cooling jacket 62.
  • the upper and lower annular covers 65 and 66 are covered. Examples of these ceramic materials include aluminum oxide (alumina), yttria, and quartz.
  • the cooling action by the cooling jacket 62 can be concentrated on the electrostatic chuck 61, and the temperature rise of the substrate K can be suppressed. It becomes.
  • the lower surface of the cooling jacket 62 is in an atmospheric pressure state, but is surrounded by the lower annular cover 66 and the mounting table support member 69, and therefore, the amount of heat released from the cooling jacket 62 by convection is very small.
  • FIG. 6 is a graph showing temporal changes in the electrostatic chuck temperature, the heat removal amount, and the He gas pressure in the non-processed state.
  • FIG. 6 shows a time lapse in a non-processing state from the heating step T1 of the electrostatic chuck 61 to the cooling step T3 by the cooling jacket 62 through the constant temperature step T2 in which the electrostatic chuck 61 is maintained at a temperature of 200 ° C.
  • the change in the electrostatic chuck temperature (° C.) is indicated by a solid curve S1
  • the change in the He gas pressure (Pa) in the minute gap 80 is indicated by a dashed curve S2
  • the change in the heat removal amount (W) S3 is represented by two. This is indicated by a dashed line curve S3.
  • the He gas pressure (Pa) in the minute gap 80 is reduced to about 100 Pa, which is close to absolute vacuum.
  • the minute gap 80 functions as a heat insulating layer, and the heat removal to the cooling jacket 62 can be suppressed as much as possible as shown in FIG.
  • the heating time for the temperature of the electrostatic chuck 61 to reach 200 ° C. from 50 ° C. in the heating step T1 was about 17 minutes.
  • the amount of heat removal (W) could be reduced by reducing the He gas pressure (Pa).
  • the heater 72 in FIG. 2 is stopped, and the minute gap 80 is in a state of being filled with He gas at approximately 1000 Pa as shown in FIG. Thereby, the heat removal amount (W) to the cooling jacket 62 increases to the maximum P1.
  • FIG. 7 is a graph showing the temporal change of the electrostatic chuck temperature and the heater load factor in the non-processed state.
  • FIG. 7 shows a time lapse in a non-process state following the cooling step T3 by the cooling jacket 62 through the constant temperature step T2 in which the electrostatic chuck 61 is maintained at a temperature of 200 ° C. from the heating step T1, as in FIG.
  • the change of the electrostatic chuck temperature (° C.) and the load factor (%) of the heater 72 is shown.
  • the change in the electrostatic chuck temperature is indicated by a solid curve S1
  • the change in the load factor (%) of the heater 72 is indicated by a solid curve S4. It can be understood that when the current upper limit of the heater is 1 kW, the maximum load factor of the temperature raising step T1 is suppressed to about 40%, and the capacity of the heater 72 can be reduced.
  • the heater 72 is arranged in a larger area than the substrate K, so that the temperature distribution on the electrostatic chuck 61 is uniform from the center of the substrate K to the outer peripheral edge. Distribution.
  • the minute gap 80 that can be switched between the He gas filling state and the vacuum state is formed at the joint between the lower surface of the electrostatic chuck 61 and the upper surface of the cooling jacket 62, the non-processed state shown in FIG.
  • the minute gap 80 is made into a vacuum state, thereby preventing the heat of the electrostatic chuck 61 from escaping to the cooling jacket 62 below, and efficient initial temperature rise and A standby state at a predetermined temperature can be maintained.
  • the minute gap 80 is filled with the He gas, so that the heat of the high-temperature substrate K is quickly released to the cooling jacket 62 through the He gas having a good heat transfer property. It is possible to remove heat.
  • the plasma processing apparatus 1 since the plasma processing apparatus 1 includes the substrate mounting table 15 that facilitates temperature control of the substrate K and the electrostatic chuck 61, temperature management during the processing of the substrate K can be easily performed. Can do. Therefore, it is possible to avoid non-uniform processing results where reproducibility due to unstable or non-uniform wafer temperatures cannot be obtained.
  • the lower surface of the electrostatic chuck and the cooling jacket are directly joined, but the present invention is not limited to this.
  • a heat insulating plate having a low thermal conductivity for example, a quartz plate
  • a small gap may be formed between the upper surface and the upper surface. Even in this case, the same effect as the present embodiment can be obtained.
  • the outer peripheral end portion in the radial direction of the minute gap 80 is sealed with an O-ring, but the present invention is not limited to this.
  • the outer peripheral end portion of the minute gap 80 in the radial direction may be sealed with a heat-resistant metal seal. Even in this case, the same effect as the present embodiment can be obtained.
  • the upper annular cover 65 and the lower annular cover 66 are formed as separate bodies, but they may be configured so as to be integrally formed. Even in this case, the same effect as the present embodiment can be obtained.
  • the etching process has been described.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention can also be used for a film forming process using a CVD method (chemical vapor deposition method) or the like. Reaction heat may also be generated in this film forming process, and is particularly useful when precise temperature control is required at a temperature of about 100 to 300 ° C., which is a low temperature region of the film forming process.
  • CVD method chemical vapor deposition method
  • Plasma processing apparatus 15 Substrate mounting base 50 Temperature control system 52 Helium gas supply part 54 Vacuum pump 61 Electrostatic chuck 61a Upper disk part 61b Lower disk part 62 Cooling jacket 62c Flange part 64 Focus ring 65 Upper ring cover 66 Lower ring Cover 71 Electrode for electrostatic adsorption 72 Heater 74 Refrigerant flow path 80 Minute gap 81 O-ring

Abstract

チャンバ（１１）内の温度等の外部要因の影響を軽減できる基板載置台（１５）を提供する。プラズマ処理装置（１）におけるチャンバ（１１）内に配置された基板載置台（１５）は、静電チャック（６１）と冷却ジャケット（６２）を備えており、静電チャック（６１）は、静電吸着用電極（７１）を内蔵する上側円盤部（６１ａ）と、上側円盤部（６１ａ）より大きい径を有し、かつヒータ（７２）を内蔵する下側円盤部（６１ｂ）とから構成されている。上側円盤部（６１ａ）の径方向外方に配置されて下側円盤部（６１ｂ）の上面を覆うフォーフォーカスリング（６４）と、冷却ジャケット（６２）の少なくとも一部及び下側円盤部（６１ｂ）を囲む断熱用の上側環状カバー（６５）と、上側環状カバー（６５）とで冷却ジャケット（６２）を挟持する断熱用の下側環状カバー（６６）とが、セラミック製である。

Description

基板載置台及びこれを備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
　本発明は、チャンバ内でプラズマエッチング処理等が施される基板、たとえば半導体用のウェハを静電吸着状態で載置する基板載置台及びこれを備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
　従来、チャンバ内に配置された基板載置台に、被処理ワークとして半導体用の基板を載置し、チャンバ内に所定のガスを供給してプラズマ化させ、プラズマ化した処理ガスによって、基板にエッチング処理を施すプラズマ処理装置が知られている。また、プラズマ処理に適した基板載置台として、静電吸着用の電極及び基板加熱用のヒータを内蔵する静電チャックと、この静電チャックの下側に配置された冷却ジャケットとを備えたものが開発されている（特許文献１及び２）。この種の基板載置台は、静電吸着用の電極に電圧を印加することにより、電極表面から静電チャックの上端チャック面にかけての誘電層で誘電分極を起こし、基板との間で発生する静電力により、基板をチャック面に吸着保持する。そして処理中は、ヒータ及び冷却ジャケットによる温度制御により、基板を所定温度に保った状態として、基板にエッチング処理等が施される。
特開２００１－６８５３８号公報 特開２００６－２３７３４８号公報
　しかしながら、ヒータ及び冷却ジャケットによる静電チャック及び基板の温度制御に関し、基板載置台の周囲環境、たとえばチャンバ内温度の影響により、静電チャック及び基板の適切な温度制御が困難になるという問題がある。たとえば、基板を載置していない非処理状態での初期昇温時や所定温度での待機時には、加熱される静電チャックの熱は下側の冷却ジャケットを介して多量に外部に逃げる。このために、大きなヒータ容量が要求され、無駄な電力消費の要因となる。一方、基板を載置してエッチング処理等を行う処理中には、温度上昇した基板から静電チャックに多くの熱が連続的に伝達されるので、大きな抜熱量が要求される。具体的に説明すると、非処理状態における静電チャックの昇温工程並びに所定温度、たとえば２００℃での待機時（一定温度工程）では、ヒータによる熱が外部に逃げないようにして、静電チャックを効率良く昇温させ、または静電チャックを一定温度に保つ必要がある。一方、基板の処理中、たとえプラズマエッチング処理中には、基板が必要以上に高温にならないように、基板の熱を効率良く静電チャックを通じて抜熱する必要がある。
　本発明の目的は、以上の実情に鑑みなされたものであって、チャンバ内温度等の外部要因が静電チャック及び冷却ジャケットに及ぼす影響を軽減し、基板及び静電チャックの温度制御を容易にすることが可能な基板載置台及びこれを備えたプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の提供をその目的とする。
　上記目的を達成するための本発明は、
　被処理用の基板を静電吸着する基板載置台であって、
　前記基板を静電吸着する電極を内蔵する上側円盤部と、該上側円盤部の下側に、前記上側円盤部より大きな径を有するとともにヒータを内蔵する下側円盤部とからなる静電チャックと、
　前記下側円盤部の下側に配置され、前記静電チャックを冷却する冷却ジャケットと、
　前記上側円盤部の径方向外方に配置され、前記下側円盤部の上面を覆うフォーカスリングと、
　前記冷却ジャケットの少なくとも一部及び前記下側円盤部を囲む断熱用の上側環状カバーと、
　前記上側環状カバーとで前記冷却ジャケットを挟持する断熱用の下側環状カバーとを備え、
　前記フォーカスリング、前記上側環状カバー及び前記下側環状カバーは、セラミック製である基板載置台に係る。
　この基板載置台によれば、静電チャック及び冷却ジャケットの上面及び径方向の外方を囲むフォーカスリング、断熱用の上下の環状カバーを、セラミック製としているので、静電チャック及び冷却ジャケットに対する外部影響を軽減でき、静電チャック及び基板に対して効率の良い温度制御が可能となる。
　また、前記基板載置台において、前記ヒータの配置領域は、前記基板の径よりも大きな径を有していることが好ましい。
　この基板載置台によれば、ヒータの配置領域を、基板の径よりも大きな径に設定されているので、静電チャック上の温度分布を、基板の中心部から外周端部まで均一な分布とすることができる。
　また、前記基板載置台において、
　前記冷却ジャケットの径方向外周面に外向きのフランジ部が一体に形成され、
　前記フランジ部は、前記上側環状カバーと前記下側環状カバーとにより上下から挟持されていることが好ましい。
　この基板載置台によれば、上下のセラミック製の環状カバーで冷却ジャケットの外向きフランジを挟持するので、上下の環状カバーを、静電チャック及び冷却ジャケットに対する断熱機能に加え、冷却ジャケットの保持部材としても利用できる。
　さらに、前記基板載置台において、
　前記静電チャックと前記冷却ジャケットとの間には、前記ヒータの配置領域の全域に延在するとともに外部から密封された微小隙間が形成され、
　前記微小隙間は、ヘリウムガス供給部と真空ポンプとに切り換え自在に接続されることにより、ヘリウムガス充填状態と真空状態との間で変更自在となるように構成されることが好ましい。
　この基板載置台によれば、非処理状態における初期昇温時、一定温度での待機時には、微小隙間を真空状態とする。したがって、静電チャックの熱が下方の冷却ジャケットへ逃げるのを遮断し、効率的な初期昇温及び所定温度での待機状態を維持することができる。一方、プラズマ処理中は、微小隙間をヘリウムガス充填状態とすることにより、高温の基板の熱を、熱伝達性の良いヘリウムガスを介して速やかに冷却ジャケットへと逃がし、効率的な抜熱を行うことができる。
　またさらに、前記基板載置台において、前記静電チャックは、窒化アルミニウム製であることが好ましい。
　この基板載置台によれば、静電チャックとして、高熱伝導性の窒化アルミニウムを用いるので、酸化アルミニウムよりも良好な温度分布が期待でき静電チャックの熱応力による割れを防止することができる。
　また、本発明は、前記基板載置台がチャンバ内に内蔵されているプラズマ処理装置を提供する。
　このプラズマ処理装置によれば、基板及び静電チャックの温度制御を容易とする基板載置台を備えているので、基板の処理中での温度管理を容易に実施することができる。したがって、不安定又は不均一なウェハ温度に起因する再現性が得られない不均一な処理結果を回避することが可能となる。
　さらに本発明は、基板処理方法も提供するものであり、前記基板載置台と前記冷却ジャケットとの間に微小隙間を有する基板載置台において、基板非処理状態における初期昇温時又は待機時には、前記微小隙間を真空状態とし、基板処理中は、前記微小隙間をヘリウムガス充填状態とする。
　この方法によると、非処理中は、静電チャックの熱が下方の冷却ジャケットへ逃げるのを遮断し、効率的な初期昇温及び所定温度での待機状態を維持することができる。一方、基板処理中は、高温の基板の熱を、熱伝達性の良いヘリウムガスを介して速やかに冷却ジャケットへと逃がし、効率的な抜熱を行うことができる。
　以上のように、本発明に係る基板載置台又は処理方法によれば、チャンバ内温度等の外部要因が静電チャック及び冷却ジャケットに及ぼす影響を軽減し、基板及び静電チャックの温度制御を容易にすることができる。また、本発明に係るプラズマ処理装置によれば、不安定又は不均一なウェハ温度に起因する再現性が得られない不均一な処理結果を回避することが可能となる。
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略的な構成を示す縦断面図である。 図１の基板載置台の縦断面拡大図である。 図２の冷却ジャケットの平面図である。 昇温時または待機時に、微小隙間を真空状態にしている時の作用説明図である。 基板を載置した処理時において、微小隙間をヘリウムガス充填状態にしている時の作用説明図である。 非処理状態における静電チャック温度、抜熱量及びヘリウムガス圧力の時間的変化を示すグラフである。 非処理状態における静電チャック温度及びヒータ負荷率の時間的変化を示すグラフである。
　以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態．
　図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１の概略的な構成を示す縦断面図である。図１のプラズマ処理装置１は、閉塞空間を有するチャンバ１１と、このチャンバ１１内に昇降シリンダ（図示せず）により昇降自在に配設され、ウェハ等の被処理用の基板Ｋが載置される基板載置台１５と、該基板載置台１５内にあって、ウェハリフタを昇降させる昇降シリンダ１９と、チャンバ１１内にエッチングガス、保護膜形成ガス及び不活性ガスを供給するガス供給装置２０と、チャンバ１１内に供給されたエッチングガス、保護膜形成ガス及び不活性ガスをプラズマ化するプラズマ生成装置３０と、チャンバ１１内の圧力を減圧する排気装置４０と、基板載置台１５にプラズマ処理用の高周波電力を供給する高周波電源３５と、基板載置台１５に静電吸着用の電圧を印加する静電吸着用電源３６とを備えて構成される。さらに、基板載置台１５及び基板Ｋの温度を調整するための各種装置からなる温度調整システム５０を備える。
　図１に示すように、チャンバ１１は、相互に連通した内部空間を有する上チャンバ１２及び下チャンバ１３から構成され、上チャンバ１２は、下チャンバ１３よりもその内径が小径となるように形成されている。上チャンバ１２の天板の内部には、上チャンバヒータ（図示せず）が設けられる一方、下チャンバの側壁の内部には、下チャンバヒータがブロックヒータとして備えられている。このブロックヒータは、例えば、アルミニウムからなるブロック体に発熱体を組み入れることにより形成される。
　ガス供給装置２０は、エッチングガスとして、ＳＦ６ガスを供給するＳＦ６ガス供給部２１と、保護膜形成ガスとして、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスをそれぞれ供給するＳｉＦ４ガス供給部２２及びＯ２ガス供給部２３と、不活性ガスとして、例えば、Ａｒガスなどを供給する不活性ガス供給部２４とを備える。ガス用の供給管２５は、一端が上チャンバ１２の上面に接続し、他端が分岐してＳＦ６ガス供給部２１、ＳｉＦ４ガス供給部２２、Ｏ２ガス供給部２３及び不活性ガス供給部２４にそれぞれ接続している。ＳＦ６ガス供給部２１、ＳｉＦ４ガス供給部２２、Ｏ２ガス供給部２３及び不活性ガス供給部２４から供給管２５を介して、チャンバ１１内にＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガスを供給する。なお、本実施形態では、上述したガスを用いたが、エッチングする対象によっては、例えばＨＢｒ、Ｃｌ２、ＳＦ６、Ｏ２、Ａｒ、Ｎ２などのガスを用いてもよい。
　プラズマ生成装置３０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成する装置であって、上チャンバ１２に配設された螺旋状（環状）のコイル３１と、このコイル３１に高周波電力を供給する高周波電源３２とから構成されている。高周波電源３２によってコイル３１に高周波電力を供給することで、上チャンバ１２内に供給されたＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガスをプラズマ化する。
　基板載置台１５に接続される高周波電源３５は、基板載置台１５の静電チャック６１に高周波電力を供給することで、静電チャック６１とプラズマとの間にバイアス電位を与え、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガスのプラズマ化により生成されたイオンを、基板載置台１５上に載置された基板Ｋに入射させる。なお、本実施形態では、プラズマ化する際において、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス等を用いたが、エッチングする対象によっては、例えばＨＢｒ、Ｃｌ２、ＳＦ６、Ｏ２、Ａｒ、Ｎ２などのガスを用いてもよい。
　排気装置４０は、チャンバ１１内の気体を吸引し、排気する真空ポンプ４１と、排気管４２とから構成されており、排気管４２は、一端が真空ポンプ４１に接続し、他端が下チャンバ１３の側面に接続している。この排気管４２を介して、真空ポンプ４１がチャンバ１１内の気体を吸引し、チャンバ１１内部を真空状態とする。
　温度調整システム５０は、基板載置台１５内の加熱用ヒータ７２に電力を供給するヒータ用電源５３と、基板載置台１５に冷却用の冷媒を供給するチラーユニット５１と、熱伝達性の良いヘリウムガス（以下、Ｈｅガスという。）を基板載置台１５に供給するヘリウムガス供給部５２と、基板載置台１５内に断熱用の真空層（後述する図２の微小隙間８０）を形成するための真空ポンプ５４とを備えて構成される。この真空ポンプ５４は、前述のチャンバ用の真空ポンプ４１を流用することもできる。
　図２は図１の基板載置台１５の縦断面拡大図である。図２の基板載置台１５は、窒化アルミニウム製の静電チャック６１と、この静電チャック６１の下側に配置されたアルミニウム製の冷却ジャケット６２と、この冷却ジャケット６２の下側に連結され、昇降シリンダ１９が駆動するウェハリフタの昇降空間を形成するブラケット６３と、静電チャック６１の上側に配置されたフォーカスリング６４とを備えて構成される。また、静電チャック６１は、静電吸着用の電極７１を内蔵する上側円盤部６１ａと、この上側円盤部６１ａよりも大きな径を有し、かつ、加熱用ヒータ７２を内蔵する下側円盤部６１ｂとから構成されている。ここで、静電チャック６１は、上側円盤部６１ａと、下側円盤部６１ｂとから一体形成されている。
　さらに、図２の基板載置台１５は、冷却ジャケット６２の少なくとも一部及び下側円盤部６１ｂを囲む断熱用の上側環状カバー６５と、ブラケット６３の径方向の外方を囲む断熱用の下側環状カバー６６と、上側環状カバー６５及び下側環状カバー６６の径方向の外周を囲む外郭ケース６８と、この外郭ケース６８の下面に連結され、基板載置台１５の全体を支持する載置台支持部材６９とを備えて構成される。ここで、上側環状カバー６５と下側環状カバー６６とで冷却ジャケット６２を挟持する。
　静電吸着用の電極７１は静電吸着用電源３６に接続され、加熱用ヒータ７２は、温度調整システム５０のヒータ用電源５３に接続されている。上側円盤部６１ａは、上面に載置される基板Ｋと略同じ平面形状及び同じ広さに形成されている。静電吸着用電極７１に、静電吸着用電源３６による電圧を印加すると、静電誘導により、基板Ｋが上側円盤部６１ａの上端チャック面に吸着保持される。加熱用ヒータ７２は、下側円盤部６１ｂ内で、基板Ｋの径よりも大きな径の範囲に延在している。
　冷却ジャケット６２は、上側のジャケット本体６２ａと下側の底部６２ｂとから構成されている。ジャケット本体６２ａは、複数本のボルト７３により静電チャック６１の下面に結合されている。底部６２ｂは、ジャケット本体６２ａの下側凹部に嵌合し、溶接等によりジャケット本体６２ａに固着されている。ジャケット本体６２ａの下面の溝と底部６２ｂの上面とで冷却用の冷媒流路７４を形成している。複数本のボルト７３は、載置台軸心Ｏ１を中心とする一つの円周上に配列されている。冷媒流路７４は、たとえば平面視で螺旋状に形成されており、チラーユニット５１から供給される冷媒（ガルデン（登録商標））が、冷却ジャケット６２の下面に設けられた接続口を通じて、冷媒流路７４を循環することにより、ウェハの熱を奪った冷媒をチラーユニット５１内へと戻るように構成されている。チラーユニット５１では、冷媒は冷却され、再度冷媒流路７４に戻される。ここで、抜熱とは、ウェハの熱を冷媒および冷却ジャケット６１の底部６２ｂ表面を介して外に逃がすことをいう。さらに、ウェハの熱のほとんどは冷媒を介して外に逃がされ、ウェハの熱の一部は冷却ジャケット６１の底部６２ｂ表面から放熱される。これにより、ウェハ自身の温度を下げる。なお、冷却ジャケット６２の底部６２ｂと載置台支持部材６９で囲まれた空間は大気圧状態である。また、ウェハの熱を奪って高温となった冷媒はチラーユニット５１内で冷却される。
　ジャケット本体６２ａの径方向外周端の下端部には、外向きのフランジ部６２ｃが一体に形成されており、このフランジ部６２ｃは、断熱用のセラミック製の上側環状カバー６５と下側環状カバー６６とにより、上下から挟持されている。
　上側環状カバー６５の上端部には、環状の切り欠き６５ａが形成されており、この切り欠き６５ａには外郭ケース６８に形成された内向きフランジ部６８ａが係合している。下側環状カバー６６の上端面はＯリング７５を介してフランジ部６２ｃの下面に当接し、下側環状カバー６６の下端面はＯリング７６を介して載置台支持部材６９の上面に当接している。外郭ケース６８の外周端部のボルト挿通孔に挿通したボルト７７を、載置台支持部材６９のめねじ孔に螺着することにより、上側環状カバー６５及び下側環状カバー６６を上下から締め付けている。この構成により、上下の環状カバー６５、６６及び冷却ジャケット６２のフランジ部６２ｃを上下から固定しており、かつ、下側環状カバー６６の上下の両Ｏリング７５、７６を圧縮することにより、下チャンバ１３を密封している。なお、冷却ジャケット６２と載置台支持部材６９で囲まれた空間は大気圧状態である。
　フォーカスリング６４は、静電チャック６１の上側円盤部６１ａ径方向の外方において、下側円盤部６１ｂの上面を覆っている。上側円盤部６１ａの上端チャック面に載置される基板Ｋは、フォーカスリング６４の上面と略同一高さに位置している。
　冷却ジャケット６２のジャケット本体６２ａの上面と静電チャック６１の下面との間には、ジャケット本体６２ａの上面の面粗度を大きくすることにより、微小隙間８０が形成されている。ジャケット本体６２ａの上面には、静電チャック固定用の複数のボルト７３で構成する円周の内側に、Ｏリング８１もしくは環状メタルシールが配置されており、このＯリング８１により、微小隙間８０を平面視で密封状態の円形に構成している。また、ジャケット本体６２ａの上面には、軸芯Ｏ１部分の中央ガス通路８２に連通するガス通路網８３が形成されている。中央ガス通路８２は、底部６２ｂに形成されたガス通路８４を介して、ブラケット６３に螺着された継手８５に連通している。
　継手８５は、吸引管を兼ねるガス管８６及び切り換えバルブ８７を介して、前述の温度調整システム５０の真空ポンプ５４及びヘリウムガス供給部５２に切り換え自在に連通している。
　また、ヘリウムガス供給部５２は、ブラケット６３に螺着された継手９８及びガス通路を介して上側円盤部６１ａの上面（チャック面）に連通しており、基板Ｋの裏面にＨｅガスを供給できるように構成されている。
　図３は図２の冷却ジャケット６２の平面図である。図３に示すように、Ｏリング８１で囲まれた円形の微小隙間８０に形成されたガス通路網８３は、外側環状通路８３ａと、内側環状通路８３ｂと、両環状通路８３ａ、８３ｂを相互に連通するＹ字形通路８３ｃと、内側環状通路８３ｂを中央ガス通路８２に連通する通路８３ｄ等を有しており、中央ガス通路８２から供給されるＨｅガスを、円形の微小隙間８０の全体に均等に供給できるように構成されている。
　また、図３に示すように、冷却ジャケット６２には各電源用の配線を通す穴が複数設けられている。具体的には、静電チャック電源用の配線を通す穴９０，９６、ヒータ電源用の配線を通す穴９３，９４、温度モニタセンサ用の穴８９，９７、および載置台の電極に高周波電力を印加する高周波電源用の配線を通す穴９２が設けられている。さらに、基板Ｋの裏面を持ち上げるリフタ用の穴８８，９１，９５が設けられている。
　図４は昇温時または待機時に微小隙間８０を真空状態にしている時の作用説明図であり、図５は基板Ｋを載置した処理時において微小隙間８０をＨｅガス充填状態にしている時の作用説明図である。ここで、図４及び図５は、微小隙間８０内の状態の変化を示す作用説明図であり、実線の矢印は熱の伝達状態を示し、白抜きの矢印はＨｅガスの移動状態を示し、破線の矢印は断熱状態を示している。なお、図中、微小隙間８０は、実際には数μｍ～数十μｍの厚みであるが、大きく誇張した状態で表現している。図４のように微小隙間８０を真空ポンプ５４に接続し、微小隙間８０内のＨｅガスを吸引することにより、微小隙間８０内を真空状態とすることができる。したがって、微小隙間８０は断熱層の役割を担い、ヒータ７２からの熱が冷却ジャケット６２側へ抜けるのを阻止することが可能となる。
　一方、図５のように、微小隙間８０をヘリウムガス供給部５２に接続すると、微小隙間８０には熱伝達性の良いＨｅガスが供給されるとともに圧力も上昇し、Ｈｅガス充填状態となる。ここで、Ｈｅガスは、静電チャック６１の裏面の熱を冷却ジャッケット６２表面に熱移動させる。これにより、冷却ジャケット６２の熱は冷媒を通して外部に放出される。このように、処理中に発熱する基板Ｋの熱は、微小隙間８０を速やかに通過して冷却ジャケット６２に到達することができるので、基板Ｋの熱を速やかに抜熱することが可能となる。
　本実施形態の基板載置台１５及びプラズマ処理装置１の作用効果を説明する。
　プラズマエッチング処理の前工程において、図１の昇降シリンダ１９を下降させ基板載置台１５に基板（ウェハ）Ｋを載せ、静電チャック６１により吸着保持する。この時、チャンバ１１内はたとえば１２０℃に加熱され、基板Ｋは静電チャック６１のヒータ７２により２００℃に加熱される。
　プラズマ生成装置３０において、高周波電源３２によってコイル３１に高周波電力を供給することにより、ガス供給装置２０から上チャンバ１２内に供給されたＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガス等をプラズマ化する。一方、静電チャック６１にも高周波電源３５から高周波電圧を印加する。これにより、静電チャック６１とチャンバ１１内のプラズマとの間で電位差が生じ、この電位差により、プラズマ中のイオンが静電チャック６１に向けて移動し、基板Ｋの表面に衝突することで、基板Ｋの表面にエッチング処理が施される。なお、本実施形態では、プラズマ化する際において、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス等を用いたが、エッチングする対象によっては、例えばＨＢｒ、Ｃｌ２、ＳＦ６、Ｏ２、Ａｒ、Ｎ２などのガスを用いてもよい。
　図４の非処理状態において、ヒータ７２による基板載置台１５の昇温時または２００℃を維持した状態の待機時には、微小隙間８０は、Ｈｅガスを真空ポンプ５４で吸引していることにより、真空状態となっている。これにより、微小隙間８０は断熱層の役割を担い、ヒータ７２からの熱が冷却ジャケット６２側へ抜けるのを阻止し、かつ、熱が上方に抜けるのをフォーカスリング６４により阻止する。さらに、熱が外方に抜けるのを上側環状カバー６５により阻止する。これにより、ヒータ７２からの熱を中央の上側円盤部６１へと集めることができる。すなわち、ヒータ６２の熱を効率良く上側円盤部６１に集めることが可能となる。したがって、効率の良い昇温が達成でき、ヒータ７２の消費電力を軽減でき、省エネを達成できる。
　図５の処理状態において、微小隙間８０はＨｅガス充填状態となっている。処理中は、基板Ｋの発熱量が大きく、所定の温度２００℃より高くなろうとする。ところが、微小隙間８０には、熱伝達性の良いＨｅガスが充填されているので、基板Ｋの熱は、微小隙間８０を速やかに通過して冷却ジャケット６２に到達する（逃がす）ことができる。したがって、基板Ｋの熱を速やかに抜熱し、基板Ｋを冷却することが可能となる。即ち、基板Ｋの効率の良い抜熱が可能となる。また、基板Ｋの裏面に熱伝達性の良いＨｅガスが充填されているので、基板Ｋの表面の温度分布を均一化することが可能となる。したがって、基板Ｋの表面の温度分布のバラツキによるエッチング形状やエッチング速度等のバラツキを抑制することが可能となる。
　図２の静電チャック６１及び冷却ジャケット６２は、基板Ｋの載置領域を除く上面全域と、冷却ジャケット６２の径方向の外方全域とが、断熱性の高いセラミック製のフォーカスリング６４及びセラミック製の上下の環状カバー６５、６６により覆われている。これらのセラミックの材質として、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、イットリア、石英が挙げられる。この構成により、冷却ジャケット６２への熱放射や熱伝導による外乱の入熱を減少させることができチャンバ１１内温度が基板載置台１５の内部に影響を及ぼすことを阻止できる。したがって、効率良く基板載置台１５内の温度調節を行うことが可能となる。たとえば、チャンバ１１内の温度が１２０℃に対し、冷却ジャケット６２を容易に７０℃程度に維持することが可能となる。これにより、２００℃の静電チャック６２との間で大きな温度勾配を形成でき、冷却ジャケット６２による冷却作用を静電チャック６１に集中させることができ、基板Ｋの温度上昇を抑制することが可能となる。なお、冷却ジャケット６２の下面は、大気圧状態であるが、下側環状カバー６６及び載置台支持部材６９とで囲まれているため、対流による冷却ジャケット６２からの放熱量はごく僅かである。
　図６は非処理状態における静電チャック温度、抜熱量及びＨｅガス圧力の時間的変化を示すグラフである。図６は、静電チャック６１の加熱工程Ｔ１から、静電チャック６１が温度２００℃に維持される一定温度工程Ｔ２を経て、冷却ジャケット６２による冷却工程Ｔ３へと続く非処理状態での時間経過において、静電チャック温度（℃）の変化を実線の曲線Ｓ１で示し、微小隙間８０内のＨｅガス圧力（Ｐａ）の変化を破線の曲線Ｓ２で示し、抜熱量（Ｗ）Ｓ３の変化を二点鎖線の曲線Ｓ３で示している。
　加熱工程Ｔ１及び一定温度工程Ｔ２では、微小隙間８０のＨｅガス圧力（Ｐａ）は、絶対真空に近い１００Ｐａ程度まで低下させている。これにより、微小隙間８０は断熱層として機能し、図４のように冷却ジャケット６２への抜熱を極力抑制することができる。実際に試験を行った結果、加熱工程Ｔ１で静電チャック６１の温度が５０℃から２００℃へと到達する昇温時間は約１７分であった。この加熱工程Ｔ１ではＨｅガス圧力（Ｐａ）を低下させることにより抜熱量（Ｗ）を削減することができた。
　冷却工程Ｔ３では、図２のヒータ７２を止め、図６のように、微小隙間８０を略１０００ＰａのＨｅガス充填状態としている。これにより、冷却ジャケット６２への抜熱量（Ｗ）は最大Ｐ１まで上がる。
　図７は非処理状態における静電チャック温度及びヒータ負荷率の時間的変化を示すグラフである。図７は、図６と同様、加熱工程Ｔ１から、静電チャック６１が温度２００℃に維持される一定温度工程Ｔ２を経て、冷却ジャケット６２による冷却工程Ｔ３に続く非処理状態での時間経過において、静電チャック温度（℃）と、ヒータ７２の負荷率（％）の変化を示している。静電チャック温度の変化を実線の曲線Ｓ１で示し、ヒータ７２の負荷率（％）の変化を実線の曲線Ｓ４で示している。現状のヒータ上限が１ｋＷのものにおいて、昇温工程Ｔ１の最大負荷率が４０％程度に抑制されており、ヒータ７２の小容量化が可能となることが理解できる。
　本実施形態による効果を簡単に纏めると以下の通りとなる。
　（１）図２において、静電チャック６１及び冷却ジャケット６２の上面及び径方向の外方を囲むフォーカスリング６４、断熱用の上下の環状カバー６５、６６を、セラミックとしているので、静電チャック６１及び冷却ジャケット６２に対するジャケット１１内の温度等の外部影響を軽減でき、静電チャック６１及び基板Ｋに対して効率の良い温度制御が可能となる。
　（２）図２において、ヒータ７２の配置領域を、基板Ｋの径よりも大きな径に設定されているので、静電チャック６１上の温度分布を、基板Ｋの中心部から外周端部まで均一な分布とすることができる。
　（３）図４において、上下のセラミック製の環状カバー６５、６６で、冷却ジャケット６２の外向きフランジ部６２ｃを挟持しているので、上下の環状カバー６５、６６を、静電チャック６１及び冷却ジャケット６２に対する外部からの断熱機能に加え、冷却ジャケット６２の保持部材としての役割も担っている。
　（４）Ｈｅガス充填状態と真空状態とに切り換え自在な微小隙間８０を、静電チャック６１の下面と冷却ジャケット６２の上面との接合部に形成しているので、図４に示す非処理状態における初期昇温時、一定温度での待機時には、微小隙間８０を真空状態とすることにより、静電チャック６１の熱が下方の冷却ジャケット６２へ逃げるのを遮断し、効率的な初期昇温及び所定温度での待機状態を維持することができる。一方、プラズマ処理中は、微小隙間８０をＨｅガス充填状態とすることにより、高温の基板Ｋの熱を、熱伝達性の良いＨｅガスを介して速やかに冷却ジャケット６２へと逃がし、効率的な抜熱を行うことが可能となる。
　（５）静電チャック６１として、高熱伝導性の窒化アルミニウムを用いているので、酸化アルミニウムよりも良好な温度分布が期待でき静電チャック６１の熱応力による割れを防止することができる。
　（６）さらに、プラズマ処理装置１は、基板Ｋ及び静電チャック６１の温度制御を容易とする基板載置台１５を備えているので、基板Ｋの処理中での温度管理を容易に実施することができる。したがって、不安定又は不均一なウェハ温度に起因する再現性が得られない不均一な処理結果を回避することが可能となる。
　なお、本実施形態では、静電チャックの下面と冷却ジャケットとを直接に接合しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、冷却ジャケットと静電チャックとの間に熱伝導性の低い断熱板（たとえば石英板）を配置し、断熱板の上面と静電チャックの下面との間、断熱板の下面と冷却ジャケットの上面との間に、それぞれ微小隙間を形成するように構成されてもよい。この場合においても本実施形態と同様の効果を得ることができる。
　また、本実施形態では、図２及び図３に示すように、微小隙間８０の径方向の外周端部分をＯリングでシールしているが、本発明はこれに限定されない。例えば、微小隙間８０の径方向の外周端部分を熱に強いメタルシールでシールするように構成されてもよい。この場合においても本実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、上側環状カバー６５と下側環状カバー６６とが別体で形成されたが、これらが一体で形成されるように構成されてもよい。この場合においても本実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、エッチング処理について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＣＶＤ法（化学気相成長法）などを用いた成膜処理にも利用することが可能である。この成膜処理においても反応熱が生じることがあり、特に、成膜処理の低温領域である１００～３００℃程度の温度で、正確な温度制御が必要なときに有用である。
　上述の実施形態は例示に過ぎず、この発明の範囲から逸脱することなく種々の変形が可能である。
　１　　　プラズマ処理装置
　１５　　基板載置台
　５０　　温度調整システム
　５２　　ヘリウムガス供給部
　５４　　真空ポンプ
　６１　　静電チャック
　６１ａ　　上側円盤部
　６１ｂ　　下側円盤部
　６２　　冷却ジャケット
　６２ｃ　　フランジ部
　６４　　フォーカスリング
　６５　　上側環状カバー
　６６　　下側環状カバー
　７１　　静電吸着用電極
　７２　　ヒータ
　７４　　冷媒流路
　８０　　微小隙間
　８１　　Ｏリング

Claims (7)

  1. 　被処理用の基板を静電吸着する基板載置台であって、
    　前記基板を静電吸着する電極を内蔵する上側円盤部と、該上側円盤部の下側に、前記上側円盤部より大きな径を有するとともにヒータを内蔵する下側円盤部とからなる静電チャックと、
    　前記下側円盤部の下側に配置され、前記静電チャックを冷却する冷却ジャケットと、
    　前記上側円盤部の径方向外方に配置され、前記下側円盤部の上面を覆うフォーカスリングと、
    　前記冷却ジャケットの少なくとも一部及び前記下側円盤部を囲む断熱用の上側環状カバーと、
    　前記上側環状カバーとで前記冷却ジャケットを挟持する断熱用の下側環状カバーとを備え、
    　前記フォーカスリング、前記上側環状カバー及び前記下側環状カバーは、セラミック製であることを特徴とする基板載置台。
  2. 　前記ヒータの配置領域は、前記基板の径よりも大きな径を有していることを特徴とする請求項１記載の基板載置台。
  3. 　前記冷却ジャケットの径方向外周面に外向きのフランジ部が一体に形成され、
    　前記フランジ部は、前記上側環状カバーと前記下側環状カバーとにより上下から挟持されていることを特徴とする請求項１または２記載の基板載置台。
  4. 　前記静電チャックと前記冷却ジャケットとの間には、前記ヒータの配置領域の全域に延在するとともに外部から密封された微小隙間が形成され、
    　前記微小隙間は、ヘリウムガス供給部と真空ポンプとに切り換え自在に接続されることにより、ヘリウムガス充填状態と真空状態との間で変更自在となることを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の基板載置台。
  5. 　前記静電チャックは、窒化アルミニウム製であることを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか１つに記載の基板載置台。
  6. 　請求項１～５のうちのいずれか１つに記載の基板載置台をチャンバ内に備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 　被処理用の基板を加熱する静電チャックと、該静電チャックを冷却する冷却ジャッケットとを備え、前記静電チャックと前記冷却ジャケットとの間には外部から密封された微小隙間が形成されたプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、
    　前記基板を前記静電チャックにより加熱するときは、前記静電チャックと前記冷却ジャケットとの間の微小隙間を真空状態とし、
    　前記加熱されて高温となった前記基板をエッチングするときは、前記静電チャックと前記冷却ジャケットとの間の微小隙間にヘリウムガスを充填させることにより前記基板の熱を前記冷却ジャッケットに逃がして前記基板を冷却することを特徴とするプラズマ処理方法。
     
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