JPH0745596A - 処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被処理体を載置する載置台の冷媒収容部へ不
要な熱の漏洩なく冷媒を供給し、被処理体を冷却する時
間を短縮でき、処理のスループットを向上することがで
きる処理装置を提供する。 【構成】 所望の減圧雰囲気に調整可能な気密に構成さ
れた処理室２内の被処理体Ｗを載置する載置台４を冷却
して被処理体Ｗを処理する処理装置において、前記載置
台４に設けられた冷媒９を収納する冷媒収容部８と、こ
の冷媒収容部８に接続され冷媒収容部８内に冷媒９を冷
媒源２４より供給する冷媒供給部１１と、この冷媒供給
部１１の外周に設けられ、前記冷媒収容部８内で気化し
た冷媒ガス６０を排出する冷媒排出部１２と、この冷媒
排出部１２の外周に設けられ、減圧雰囲気にされる減圧
部１３とを具備したことを特徴とする処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製造工程においては被処
理体を処理する処理装置、例えばドライエッチング装置
においては、垂直なパターン形状と高い選択比を得るた
めに、被処理体、例えば半導体ウェハを冷却して低温雰
囲気下でエッチング処理を施す方法が知られている。そ
のために従来より冷媒収容部を被処理体の載置台に形成
し、その冷媒収容部に外部の冷媒系より冷媒を供給し、
その伝熱により載置された被処理体の反応表面を低温化
する低温処理技術が広く用いられている。

【０００３】そして、この低温処理技術の冷媒収容部を
被処理体の載置台に形成し、その冷媒収容部に外部の冷
媒系より冷媒を供給する技術は、冷媒収容部に設けられ
たジョイント部にテフロン等の絶縁体よりなる配管を接
続し、更に、これにテフロン製のテープを巻回して、冷
媒を供給したり、また、他の接続構造として、例えばス
テンレス鋼等の金属材料で形成した配管により接続して
冷媒源から冷媒を供給していた。また、冷媒の供給路と
別に独立して冷媒の排出路を冷媒収納部に設けていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、テフロ
ン等の絶縁体よりなる配管で冷媒収容部に外部の冷媒系
より冷媒を供給する技術は、テフロン自体は高分子材料
であるために、このテフロンとジョイント部に用いられ
るステンレス等の金属との間でこれらの熱収縮差に伴っ
て冷媒のリークが発生するという改善点を有していた。
特にこの熱収縮差は、冷媒、例えば液体窒素等の極低温
の冷媒を使用する場合、無視することができなくなる。
さらに、ステンレス鋼等の金属材料で形成した配管によ
り接続して冷媒源から冷媒を供給する技術においては、
冷媒源と冷媒収容部との間の供給経路においてステンレ
ス鋼の配管と接する他の部材又は大気へ冷媒の冷熱が漏
洩し、所定の冷媒温度を維持し供給することができなか
った。さらに、冷媒の冷熱が漏洩が大きいと冷媒、例え
ば液体窒素等の極低温の冷媒を使用する場合、配管途中
で沸騰し所望の冷媒系を形成することができなくなると
いう問題が生じていた。

【０００５】また、冷媒の供給路と別に独立して冷媒の
排出路を冷媒収納部に設けていたので、この排出路の断
熱機構も必要となり装置のスペースユーティリティが悪
くなるという改善点を有していた。

【０００６】本発明の目的は、被処理体を載置する載置
台の冷媒収容部へ不要な熱の漏洩なく冷媒を供給し、被
処理体を冷却する時間を短縮でき、処理のスループット
を向上することができる処理装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、所望の減圧雰
囲気に調整可能な気密に構成された処理室内の被処理体
を載置する載置台を冷却して被処理体を処理する処理装
置において、前記載置台に設けられた冷媒を収納する冷
媒収容部と、この冷媒収容部に接続され冷媒収容部内に
冷媒を冷媒源より供給する冷媒供給部と、この冷媒供給
部の外周に設けられ、前記冷媒収容部内で気化した冷媒
ガスを排出する冷媒排出部と、この冷媒排出部の外周に
設けられ、減圧雰囲気にされる減圧部とを具備したこと
を特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明は、被処理体を載置する載置台の冷媒を
収納する冷媒収容部に冷媒源より冷媒を供給する冷媒供
給部の外周に冷媒収容部内で気化した冷媒ガスを排出す
る冷媒排出部を設け、さらにこの冷媒排出部の外周に減
圧雰囲気にされる減圧部とを設けたので冷媒源から冷媒
収容部へ冷媒を供給する供給経路において供給冷媒から
不要な熱の漏洩を防止でき、冷媒源から放出される冷媒
を効率良くかつ安定して供給することができる。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に基づく処理装置をプラズマ
エッチング装置に適用した一実施例を、添付図面を参照
しながら説明する。

【００１０】まず図１に示すようにプラズマエッチング
装置１は、導電性材料、例えばアルミニウム製の略円筒
形状の気密に構成された処理室２を有している。この処
理室２内の底部３にはこの底部３から電気的に絶縁され
て被処理体、例えば半導体ウエハＷを載置するための載
置台４が配置されている。この載置台４は、導電部材、
例えばアルミニウム等により形成されたサセプタ支持台
５と、この上にボルト６により着脱自在に設けられた下
部電極としてのサセプタ７とにより構成されている。

【００１１】前記サセプタ支持台５には、冷媒、例えば
液体窒素を流通循環させるための冷媒収容部、例えば冷
却ジャケット８が設けられ、この冷却ジャケット８に
は、図２に示すように液体窒素９を供給及び排出するた
めの冷媒供給／排出路１０が接続されている。この冷媒
供給／排出路１０は、前記冷却ジャケット８に液体窒素
９を供給する冷媒供給部１１とこの冷媒供給部１１の外
周に設けられ、前記冷却ジャケット８で液体窒素９が蒸
発する窒素ガスを排出する冷媒排出部１２及びこの冷媒
排出部１２の外周に設けられた減圧部としての真空２重
管１３により構成されている。

【００１２】この真空２重管１３は、熱伝導率が低くし
かも金属材料、例えばステンレスと比較して熱伸縮性の
差が少ない電気的絶縁部材、例えばセラミックスよりな
る中間パイプ１４と、この外周に所定距離に離間したセ
ラミックスよりなる外側パイプ１５とを有し、２重管構
造になされている。そして、同心状になされたこれら中
間パイプ１４と外側パイプ１５の上部には、これらの中
間パイプ１４と外側パイプ１５と接続された中央部に流
路１６を有する材質、例えばステンレスよりなる上部接
合部材１７が設けられており、この上部接合部材１７
は、前記底部３と封止部材、例えばＯリング１８を介し
気密に接続されるとともに前記処理室２内と前記中間パ
イプ１４と外側パイプ１５により構成される空間とを連
通するための連通口１９を有している。さらに、上部接
合部材１７の上部は、前記サセプタ支持台５の底壁と気
密に接続され、前記液体窒素９の液面より上方に開口部
２０が突出するよう構成されている。また、前記中間パ
イプ１４と外側パイプ１５の下部は、材質、例えばステ
ンレスよりなる下部接合部材２１と気密に接続され構成
されている。

【００１３】前記冷媒供給部１１は、前記中間パイプ１
４の内側に配置された同心状かつセラミックスよりなる
内側パイプ２２と、この内側パイプ２２の上部に接続さ
れ、前記上部接合部材１７と気密に貫通し前記液体窒素
９の液中に開口部を有する冷媒供給管２３と、内側パイ
プ２２の下部と気密に接続される前記下部接合部材２１
と、この下部接合部材２１と接続され、前記液体窒素９
を供給する冷媒源２４とで構成されている。

【００１４】前記冷媒排出部１２は、前記下部接合部材
２１と接続され、この前記下部接合部材２１に穿設され
た貫通口２５を介し前記内側パイプ２２と前記中間パイ
プ１４との空間と連通された蒸発器２６で構成され、こ
の蒸発器２６は、前記開口部２０を介し前記液体窒素９
の液面上に充満する窒素ガスを引き込み蒸発させるとと
もに系外に放出するよう構成されている。また、前記外
側パイプ１５の外周には前記底部３と接続された保護パ
イプ２７が設けられ前記冷媒供給／排出路１０を保護す
るよう構成されている。

【００１５】また前記冷却ジャケット８内にはジャケッ
ト内の液体窒素の液面を測定するための上部液面検出器
２８および下部液面検出器２９が設置されており、冷媒
の液面水位に関する情報を制御部５２に伝達するよう構
成され、この制御部５２は、前記冷媒源２４に冷媒供給
量を指示し、冷媒供給部１１を介し前記冷媒源２４から
前記ジャケット８内に導入される液体窒素の供給量を調
整することを可能としている。また、前記液面検出器２
８、２９としては、例えばプリズム状の光学式液面検出
器で構成され、この光ファイバ手段により検出器に送っ
た光の反射光の相違により液面検出器２８、２９が液中
にあるか、あるいは液外にあるかを検出するよう構成さ
れている。

【００１６】前記サセプタ７は、中央部に凸部を有する
円板形状をしており、その中央凸部の載置面には、半導
体ウェハＷを載置固定するための固定手段、例えば静電
チャック３０が設けられている。この静電チャック３０
は、例えば２枚のポリイミドフィルム間に銅箔等の導電
膜３１が挟持されて構成され、そして導電膜３１は、電
圧供給リード線３２を介して直流高電圧源３４に接続さ
れている。従って、この直流高電圧源３４から導電膜３
１に高電圧を印加することにより、チャック面にクーロ
ン力を発生させ、半導体ウェハＷを載置面に吸着保持す
ることが可能としている。さらに前記サセプタ７には半
導体ウェハＷの裏面に伝熱媒体、例えばヘリウムガスな
どを供給するための伝熱ガス供給路３５が設けられてい
る。

【００１７】また前記サセプタ７には、中空に形成され
た導電体よりなる給電棒３７が前記底部３，前記サセプ
タ支持台５を貫通して接続され、この給電棒３７は、配
線３８によりブロッキングコンデンサ４０を介して高周
波、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源４１に接続さ
れている。

【００１８】また前記サセプタ７と前記サセプタ支持台
５との間には、温調用ヒータ４６が設けられて、この温
調用ヒータ４６には、温調用ヒータ４６に電力を供給す
るための電力供給リード線４７が接続され、この電力供
給リード線４７は前記給電棒３７内を貫入して配線され
電力源４８に接続されている。

【００１９】さらに前記サセプタ７の前記静電チャック
３０との接合部近傍には半導体ウエハＷの温度を検出す
るための温度検出手段４９、例えばラクストロンや熱電
対などが設けられており、この温度検出手段４９は、温
度検出手段４９により検出された温度信号を伝達する温
度検出リード線５０により高周波ノイズを除去するフィ
ルタ５１を介して装置全体を制御する前記制御器５２に
接続されている。また、この制御器５２は、所定のプロ
グラムにより前記高周波電源４１，電力源４８，直流高
電圧源３４を制御するよう構成されている。

【００２０】前記サセプタ７と対向する位置には、上部
電極４２が設けられており、この上部電極４２にはガス
供給管４３を介してプロセスガス、例えばＣＦ４ 等の
ガスが供給され、上部電極４２の電極表面に形成された
複数の小孔４４より前記半導体ウエハＷ方向にプロセス
ガスが吹出すよう構成されている。また、前記処理室２
の下部側部付近には排気管５３を介して排気手段、例え
ば真空ポンプ５４が接続されており、前記処理室２内を
所望の減圧雰囲気に真空引き可能なように構成されてい
る。

【００２１】次に、以上のように構成されたプラズマエ
ッチング装置１の作用について説明する。

【００２２】まず、図１に示すように真空ポンプ５４に
て処理室２内は、所定圧力、例えば１０−３Ｔｏｒｒ以
下の減圧雰囲気とされ、静電チャック３０上に半導体ウ
エハＷが載置され、直流高電圧源３４にて導電膜３１に
高電圧を印加し、静電チャック３０に生起するクーロン
力により半導体ウエハＷを静電チャック３０上に保持す
る。

【００２３】次に、制御部５２は、予め記憶されたプロ
グラムに従って熱電対４９による温度情報を監視しなが
らヒータ４６へ電力を供給している電力源４８の電力量
と、図２に示す冷却ジャケット８に冷媒排出部１２を介
し液体窒素９を供給する冷媒源２４の供給量を制御しな
がら半導体ウエハＷの温度を所定温度、例えば−２０℃
以下に設定する。

【００２４】そして、図１に示すように制御部５２は高
周波電源４１を制御するとともにプロセスガスの流量と
真空ポンプ５４の排気量を制御し、下部電極としてのサ
セプタ７と上部電極４２との間にプラズマを生起させ、
半導体ウエハＷの処理面をエッチング処理する。このエ
ッチング処理の際、プラズマによる熱で半導体ウエハＷ
が所定の設定温度よりも過度に加熱されるので、これを
所定温度に保持するため前述のように制御部５２は、電
力源４８の電力量と冷媒源２４の供給量の制御も行なっ
ている。

【００２５】次に、前述の冷却ジャケット８に液体窒素
９を循環させる冷媒系の制御の詳細な作用を図２を参照
しながら説明する。制御部５２は、冷媒源２４に所定流
量値の指示をし、指示流量の液体窒素９を冷媒供給部１
１を介して冷却ジャケット８内に供給し、液面検出器２
８，２９の検出信号をモニターしつつ液体窒素９の液面
が液面検出器２８と液面検出器２９との間の所定位置に
保つように制御を行なう。

【００２６】そして、冷却ジャケット８内の液体窒素９
の液中に矢印５９方向に導入された液体窒素９は、冷却
ジャケット８の底部で核沸騰し、この核沸騰で熱交換さ
れサセプタ支持台５は冷やされ、サセプタ７に冷熱が伝
達される。また、冷却ジャケット８の底部で核沸騰した
液体窒素９の気泡６０（窒素ガス）は、液体窒素９の液
面と冷却ジャケット８との空間に充満し、開口部２０よ
り冷媒排出部１２を通流して蒸発器２６に引き込まれ大
気温度以上にされ放出される。

【００２７】また、真空２重管１３の空間６１内部は、
真空ポンプ５４にて処理室２内が減圧雰囲気とされるこ
とにより、図中矢印６２方向に連通口１９を介して排気
され処理室２内と同圧の減圧雰囲気に保たれる。

【００２８】以上のように構成された本実施例の効果に
ついて説明する。

【００２９】冷却ジャケット８に液体窒素９を導入する
に際し、真空２重管１３の空間６１内部は処理室２内と
同圧の減圧雰囲気に保たれるので、冷媒供給／排気路１
０から不要に熱が漏洩することなく冷熱の損失を防止で
きる。さらに、液体窒素９を冷却ジャケット８に供給す
る冷媒供給部１１の外周に配置した冷媒排出管１２の管
内を冷却ジャケット８内で気化した低温の窒素ガスを通
流させ、さらに冷媒供給部１１を他の部材、例えば底部
３，サセプタ支持台５等に直接接することなく、上部接
合部材１７の液体窒素９に接する箇所に液体窒素９の液
中に開口部を有する冷媒供給管２３が接続されているの
で、冷媒供給部１１から不要な熱の漏洩を防止でき、冷
媒源２４から放出される略−１９６℃の液体窒素９を効
率良く供給することができる。

【００３０】そして、冷媒源２４から略−１９６℃の液
体窒素９を熱損失することなく冷却ジャケット８内に効
率良く供給することができるので、エッチング処理され
る半導体ウエハＷの温度を液体窒素９の温度、例えば−
１９６℃近傍の超低温まで冷却可能となりエッチングの
スループット等を向上することができる。

【００３１】さらに、冷媒源２４から液体窒素９を熱損
失することなく冷却ジャケット８内に効率良く供給する
ことができるので、半導体ウエハＷを常温から所定温
度、例えば−１５０℃まで冷却する冷却時間を短時間に
でき、エッチング処理の際、プラズマによる熱で過度に
加熱されても短時間で半導体ウエハＷの温度を所定の設
定温度に設定できるので、処理のスループットを向上す
ることができるとともに、半導体ウエハＷの歩留りを向
上することができる。

【００３２】次に、第２の実施例について説明を行なう
が、第１の実施例同一部分については同一符合を付けて
説明を省略する。

【００３３】図３に示すように、前記真空２重管１３の
空間６１は、前記外側パイプ１５に気密に接続された配
管７０を介して排気手段、例えば真空ポンプ７１が接続
され、この真空ポンプ７１により所望の減圧雰囲気に真
空引き可能なように構成されている。なお、前記真空ポ
ンプ７１は、前記制御部５２により制御される。そし
て、前記上部接合部材１７の上部は処理室２内と非連通
にされ、空間６１は上部接合部材１７の上部、つまり、
前記開口部２０近傍まで空間６１部が形成され構成され
ている。

【００３４】このように構成したことにより、前記真空
２重管１３の空間６１内部は、図中矢印７２方向に真空
ポンプ７１により排気され所定の減圧雰囲気に保たれる
とともに、処理室２内の変動する減圧雰囲気と隔離され
るので、処理室２内の減圧雰囲気の変動に伴う冷媒供給
／排出路１０からの熱損失の変動が抑制されより安定し
た断熱効果を得ることができる。

【００３５】なお、実施例では、冷媒として液体窒素を
用い、温度調整用ヒータとしてセラミックヒータを用い
た場合を説明したが、これに限定されず、例えば冷却媒
体として液体ヘリウム等を用いても良いし、また、ヒー
ターとして他の種のヒータを使用しても良い、さらに、
上部接合部材と気密に貫通し液体窒素の液中に開口部を
有する冷媒供給管は、開口部を１つとしたが、複数開口
部を上部接合部材に設け例えば放射状に冷却ジャケット
内に液体窒素を放出するよう構成しても良い。

【００３６】さらに、実施例では、一例として本発明に
基づく処理装置をプラズマエッチング装置に適用した例
を示したが、本発明方法はかかる装置に限定されること
なく、ＣＶＤ装置、アッシング装置、スパッタ装置、あ
るいは被処理体を低温で検査等する装置、例えば電子顕
微鏡の試料載置台や半導体材料、素子の評価を行う試料
載置台の冷却機構にも適用することできる。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、冷媒源から冷媒収容部へ冷媒
を供給する供給経路で供給する冷媒から不要な熱の漏洩
を防止し、効率良くかつ安定して供給することができる
ので、冷熱の漏洩によって、冷媒の供給温度が低下又は
変化しないので被処理体を所定温度まで冷却する時間を
短縮することができ、処理のスループットを向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例が適用されるプラズ
マエッチング装置の概略的な断面図である。

【図２】図１の冷媒供給／排出機構の部分断面図であ
る。

【図３】第２の実施例を説明する冷媒供給／排出機構の
部分断面図である。

【符号の説明】

１ プラズマエッチング装置（処理装置） ２ 処理室 ４ 載置台 ５ サセプタ支持台 ７ サセプタ ８ 冷却ジャケット（冷媒収容部） ９ 液体窒素（冷媒） １０ 冷媒供給／排出路 １１ 冷媒供給部 １２ 冷媒排出部 １３ 真空２重管（減圧部） ２４ 冷媒源 ６０ 気泡（冷却ガス）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｎ 25/00 Ｌ 6928−2Ｊ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所望の減圧雰囲気に調整可能な気密に構
   成された処理室内の被処理体を載置する載置台を冷却し
   て被処理体を処理する処理装置において、 前記載置台に設けられた冷媒を収納する冷媒収容部と、
   この冷媒収容部に接続され冷媒収容部内に冷媒を冷媒源
   より供給する冷媒供給部と、この冷媒供給部の外周に設
   けられ、前記冷媒収容部内で気化した冷媒ガスを排出す
   る冷媒排出部と、この冷媒排出部の外周に設けられ、減
   圧雰囲気にされる減圧部とを具備したことを特徴とする
   処理装置。
2. 【請求項２】前記ジャケット内に冷媒を冷媒源より供給
   する冷媒供給部の開口部は、前記冷媒排出部と前記冷媒
   液の接する箇所で前記冷媒排出部を気密に貫通して設け
   られたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の処
   理装置。