JP2001110885A

JP2001110885A - 半導体処理装置および半導体処理方法

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Publication number: JP2001110885A
Application number: JP29179999A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Miya; 豪宮; Tomoji Watanabe; 智司渡辺; Masakazu Hoshino; 正和星野; Hidetsugu Setoyama; 英嗣瀬戸山; Koji Ishiguro; 浩二石黒
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】吸着装置を用いた半導体処理装置において、半
導体基板を高温に予備加熱することが可能であり，温度
制御の応答性の良い吸着装置を備え，半導体基板に優れ
た処理を行うことを可能とする半導体処理装置を提供す
る。【解決手段】半導体基板載置面５に半導体基板４を保持
可能な吸着装置１を備えた半導体処理装置において、半
導体基板載置面５に半導体基板４を保持する保持部材２
３と冷却部材２４との間にガスを封入する伝熱ガス室２
６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体処理装置に係
り、特に、半導体ウェハなど半導体基板の温度管理を必
要とする半導体処理プロセスにおいて、処理過程中にお
いて、半導体基板から熱を除去したり、もしくは半導体
基板を加熱したりする吸着装置を備えた半導体製造装置
および処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体製造工程において、半導
体ウェハなどの半導体基板を処理するために、反応性プ
ラズマを利用したプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Dep
osition）装置やプラズマエッチング装置等が使用され
ている。これらのプラズマ処理装置では、静電吸着装置
が広く用いられている。以下、図７に従って静電吸着装
置の説明を行う。吸着装置１は、吸着用電極２および
２’と吸着用電極２、２’を被覆する絶縁材３とを備
え、吸着用電極２、２’と半導体基板４との間に所定の
直流電圧を印加して、両者間に静電気力を生じさせ、半
導体基板４を半導体基板載置面５に吸着、保持するもの
である。

【０００３】半導体基板４はプラズマによって加熱され
るため、適切な温度に保つためには冷却が必要となるこ
とが多い。通常のプラズマ処理は数Pa程度の低圧力下で
行うので、半導体基板４と半導体基板載置面５との間の
伝熱効率が低く、半導体基板４の冷却効率が悪い。そこ
で、半導体基板４を半導体基板載置面５に吸着しなが
ら、両者間に熱伝導率が大きいヘリウム（He）などの伝
熱ガスを吸着装置１内に形成された伝熱ガス供給管６か
ら流し、両者間の熱コンダクタンスを大きくし、伝熱を
促進している。なお、ここには図示しないが半導体基板
載置面５の表面には凹凸状の形状が形成されており、半
導体基板４の中心と周辺で伝熱用ガスの圧力が一様にな
るよう工夫されている。

【０００４】吸着装置１の内部には冷媒流路７が形成さ
れており、冷媒供給口８から冷媒を冷媒流路７へ供給
し、冷媒排出口９から排出される。半導体基板４から半
導体基板載置面５に伝えられた熱を、この冷媒で装置外
に排出している。なお、カバー１０は吸着装置１をプラ
ズマから保護するためのものである。

【０００５】静電吸着装置には、吸着用電極２が１つで
印加する電圧の極性が１つの単極型と、吸着用電極２が
２つ以上で印加する電圧の極性が２つの双極型とがあ
る。図７に示す従来例は、吸着用電極２が外周側と内周
側の２つに別れた双極型の吸着装置１である。単極型の
場合、プラズマを介して処理室壁と導通をとるため、半
導体基板４上にプラズマを発生させないと吸着力が生じ
ない。一方、双極型は半導体基板保持部材中に埋設され
た２つ以上の吸着用電極２に対して、互いに隣接する電
極のそれぞれにプラスとマイナスの電圧を直流電源１１
によって印加するため、隣接する吸着用電極間には半導
体基板４を介して逆方向の電気力線が生じ、プラズマを
発生させなくても半導体基板４を吸着できるという利点
がある。そのため、近年双極型が単極型に代わって主流
になりつつある。

【０００６】以上述べたように、静電吸着装置はプラズ
マ装置、特にプラズマエッチング装置で、プラズマなど
によって加熱される半導体基板４を冷却するために広く
用いられている。一方、ある種のプラズマＣＶＤなどで
は半導体基板４を室温よりも高い温度で処理することが
必要であり、処理前に半導体基板４を予め加熱する。こ
のような装置においては、加熱機構を有した静電吸着装
置が用いられている。例えば、特開昭５９−１２４１４
０号公報には、ヒータを保持部材中に内蔵した静電吸着
装置が開示されている。これは、プラズマを発生する前
に半導体基板を予備加熱することにより、半導体基板を
高温に加熱して処理するプロセスにおいてスループット
向上、処理の高品質化を図ろうとするものである。

【０００７】また、特開平９−１７８４９号公報には、
ヒータを内蔵した保持部材（セラミック製）と冷媒流路
を内蔵する冷却装置（金属製）との間に耐熱材料製の繊
維の結合体または発砲体からなる介在層を挟んだ静電吸
着装置が開示されている。この発明は、保持部材と冷却
装置をろう付けやインジウムなどの金属を介して接合す
る際に熱応力の発生による破壊が生じたり、使用上限温
度が１５０℃以下に制限されるなどの問題が生じていた
ため、これらを解決することを目的としている。この目
的を達成するため、保持部材と冷却装置とを介在層を挟
んで機械的に固定することにより、熱応力の発生を防止
しながら保持部材と冷却装置との間の伝熱を行おうとす
るものである。さらに、保持部材と冷却装置との間の圧
着力を調整することによって、保持部材と冷却装置との
間の伝熱量を調整する技術も開示している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来技
術、特にヒータを内蔵した静電吸着装置においては、短
時間に半導体基板を所望の温度に昇温することが必要と
なる。しかし、静電吸着装置自身が持つ熱容量のために
速やかな半導体基板の温度上昇が妨げられるという問題
がある。また、ヒータによる加熱の際に静電吸着装置の
温度を高くしすぎると、冷却部材の冷媒流路の壁温が上
がってしまい、冷媒の使用限界温度を超えてしまうとい
う問題がある。加熱の際に冷媒流路内部の冷媒を排出す
るという方法がある。しかしこの方法では、予備加熱後
に半導体基板のプラズマ処理に移る際に、高温の流路に
冷媒を流入しなければならず、冷媒流路壁面の温度が冷
媒の使用限界温度を超えてしまうという問題は依然とし
て残る。また、特開平9−17849号公報では、保持部材と
冷却装置との間の圧着力を調節することによって、保持
部材と冷却装置との間の熱伝達量を変化させる方法を開
示している。しかし、この方法では、装置を稼動停止し
て調整する必要があるため、半導体基板をプラズマ処理
している最中に半導体基板保持部材と冷却装置との間の
伝熱量を変化させることは困難である。従って、上記の
問題点の解決手段とはなり得ない。

【０００９】本発明の目的は、上記問題点を解決し保持
部材と冷却装置間の熱伝達を適正に行え、精度の高い半
導体処理を実現した半導体処理装置と、処理方法を提供
するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では上記目的を達
成するために、内部に発熱体を内蔵した保持部材と内部
に冷媒を流す冷却部材を有した吸着装置を備えたプラズ
マ処理装置において、前記保持部材と前記冷却部材との
間に伝熱ガスを封入する伝熱ガス室を設け、前記伝熱ガ
ス室内の圧力を制御することによって保持部材と冷却部
材との間の熱コンダクタンスを変化させ、伝熱量を制御
する。

【００１１】装置が稼動中であっても伝熱ガス室内の圧
力を変化させることは容易であるため、半導体基板の処
理中に保持部材と冷却部材の間の伝熱量を制御すること
ができる。この利点を生かし、半導体基板を予備加熱す
る際には伝熱ガス室内の圧力を下げて、発熱体により加
熱された保持部材の熱を冷却部材に伝えにくくする。

【００１２】一方、半導体基板にプラズマ処理を施す時
には、伝熱ガス室内に伝熱ガスの圧力を上げ、保持部材
から冷却装置への伝熱を良好にする。このようにすれ
ば、ヒータによる加熱の際には保持部材と半導体基板の
みの温度を上げれば良いので、速やかな予備加熱が可能
である。

【００１３】また、加熱温度を高く設定しても、冷却部
材内の冷媒流路の壁温が冷媒の使用限界温度を超えてし
まうという問題もなくなる。さらに、プラズマを発生さ
せて半導体基板を処理する時には、半導体基板から保持
部材に伝えられた熱を、伝熱ガス室内の伝熱ガスを介し
て効率よく冷却部材に伝えることができ、さらに冷媒を
通じて装置外に排出できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に従っ
て詳しく説明する。

【００１５】図１は本発明の第1の実施例を適用した有
磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ装置である。側壁１２の
上に石英蓋１３を設置し、これにより構成する処理室１
４内に吸着装置１を設け、その上に半導体基板４を吸着
して処理を行う。処理ガス１６は、ノズル１５を通して
処理室１４内に導入し、導波管１７を通って導入したマ
イクロ波１８と放電管１９の周りに取り付けたコイル２
０により誘起された磁場との相互作用によりプラズマ２
１となっている。半導体基板４をこのプラズマ２１にさ
らすことによって処理（ここでは成膜処理）を行う。処
理ガス１６、及び反応生成物は排気口２２から排出す
る。

【００１６】図２は第１の実施例の吸着装置１の側断面
図であり、半導体基板４を吸着した時の様子を拡大して
示している。吸着装置１は大きく分けて保持部材２３、
冷却部材２４とカバー１０から構成されている。保持部
材２３の上面には絶縁材３の膜を形成し、その上に吸着
用電極２を設置し、その上に再度絶縁材３の膜を形成す
ることにより半導体基板載置面５を形成する。吸着用電
極２にプラス、吸着用電極２’にマイナスの両極の電圧
を印可することによって半導体基板４が半導体基板載置
面５に吸着する。吸着装置１全体を上下に貫通してプッ
シャーピン２８を設けており、搬送アーム（ここには図
示しない）を用いて処理室内に搬入した半導体基板４を
吸着装置１へと受け渡す働きをする。保持部材２３は発
熱体２５を内蔵し、その発熱量を制御することにより、
保持部材２３を所望の温度に加熱することができる。半
導体基板４と半導体基板載置面５との間にヘリウムなど
の伝熱ガスを供給するため保持部材２３の内部に伝熱ガ
ス供給管６を設けている。この伝熱ガスの圧力を制御す
ることにより、半導体基板４と半導体基板載置面５との
間の熱コンダクタンスを調節する。

【００１７】冷却部材２４の内部には冷媒流路７を形成
し、外部に接続した冷却装置によって冷媒供給口８から
冷媒を供給し、冷媒流路７を通り、冷媒排出口９から排
出することにより冷却部材２４を冷却する。プラズマ処
理中に半導体基板４が受ける熱は、この冷却部材２４を
介して冷媒流路７の内部を流れる冷媒に逃がしている。

【００１８】保持部材２３と前記冷却部材２４との間に
は、ガスを封入する伝熱ガス室２６を設けてある。図２
に示す実施例では冷却部材２４の上面に凹みを設けるこ
とにより、保持部材２３との間に伝熱ガス室２６を形成
している。なお、保持部材２３と冷却部材２４とは，伝
熱ガス室２６の外周部分、プッシャーピン２８貫通穴の
外側が溶接により接合されており、密閉空間となってい
る。保持部材２３と冷却部材２４を溶接で接合するた
め、この両者は金属により形成する。この伝熱ガス室２
６内に管２７を通してヘリウムガスなどの気体を封入し
たり排出することにより、伝熱ガス室２６内の圧力を制
御し、これによって保持部材２３と冷却部材２４との間
の熱コンダクタンスを調節する構造としてある。

【００１９】図３に、本発明の第２実施例を示す吸着装
置１の側断面の拡大図を示す。

【００２０】この実施例では、保持部材２３と冷却部材
２４とをボルト３０によって機械的に固定している。冷
却部材２４に伝熱ガス室２６の外周部分、プッシャーピ
ン２８貫通穴の外側に円形状の溝を形成し、Oリング３
１により伝熱ガス室２６内のガスが漏れないようにシー
ルしている。実施例１と本実施例との違いは以下の点で
ある。すなわち、半導体基板４を発熱体２５により加熱
する際には、保持部材２３と冷却部材２４は温度、材質
の違いから熱膨張による寸法変化量が異なる。しかしな
がら、保持部材２３と冷却部材２４とはボルト３０によ
って機械的に固定しているだけなので両者の界面に応力
は生じず、破壊する恐れは低い。また、先程述べたよう
に，保持部材２３と冷却部材２４とは溶接による接合を
行っていないので同種の材料を使用する必要はなく、自
由に選択できる。例えば、高温に加熱される保持部材２
３はセラミックなどの耐熱性材料で製作し、冷却部材２
４は熱伝導率の高い金属材料で製作することができる。

【００２１】図４に本発明の第3実施例を示す吸着装置
１の側断面の拡大図を示す。

【００２２】この実施例では、半導体基板４の温度を測
定するための温度計３２を具備し、処理室内１４に半導
体基板４を搬入してから搬出するまでの間の、半導体基
板４もしくは保持部材２３の温度を計測し、外部に設置
しているコントローラー（図示しない）に計測結果を伝
えることができる。

【００２３】ここで、成膜あるいはエッチングなどの半
導体処理プロセスの初期における、半導体基板４の温
度、および半導体処理プロセス中における半導体基板４
の温度を、フィードバック制御によって管理すること
で、半導体基板４に、より高品質な半導体処理を行うこ
とができる。

【００２４】成膜あるいはエッチングなどのプロセスの
初期温度を管理するためには、発熱体２５による保持部
材２３の予備加熱中の温度制御が重要である。

【００２５】例えば、発熱体２５による保持部材２３の
予備加熱中に半導体基板４の温度上昇が遅ければ、半導
体基板４と半導体基板載置面５との間のガスの圧力を上
げることにより、温度が上がった半導体基板載置面５と
半導体基板４との間の熱コンダクタンスが大きくなり、
半導体基板４の温度上昇を速くすることができる。ま
た、発熱体２５の発熱量を上げることにより半導体基板
載置面５の温度上昇を速くし、半導体基板４を温度上昇
を速くすることができる。

【００２６】逆に、発熱体２５による保持部材２３の予
備加熱中に半導体基板４の温度上昇が速ければ、発熱体
２５の発熱量を小さくすることにより半導体基板４の温
度上昇を遅くすることができる。また、半導体基板４と
半導体基板載置面５との間のガスの圧力を下げることに
より、温度が上がった半導体基板載置面５と半導体基板
４との間の熱コンダクタンスを小さくし、半導体基板４
の温度上昇を遅くすることができる。また、伝熱ガス室
２６内の圧力を上げることにより、保持部材２３と冷却
部材２４との間の熱コンダクタンスを大きくし、保持部
材２３の温度上昇を遅くし、半導体基板４の温度上昇を
遅くすることができる。また、冷却部材２４の内部に流
入する冷媒の流量を上げる、冷却部材２４内部に流入す
る冷媒の温度を下げるなどの制御により、半導体基板４
の温度上昇を遅くすることができる。

【００２７】また、発熱体２５による保持部材２３の予
備加熱中に半導体基板４の温度がオーバーシュートし、
高くなった半導体基板４の温度を下げる必要がある場合
は、発熱体２５の発熱量を小さく、あるいは0にし、伝
熱ガス室２６内の圧力を上げることにより、保持部材２
３と冷却部材２４との間の熱コンダクタンスを大きくし
保持部材２３の温度を下げ、半導体基板４の温度を下げ
ることができる。また、冷却部材２４の内部に流入する
冷媒の流量を上げる、冷却部材２４内部に流入する冷媒
の温度を下げるなどの制御により半導体基板４の温度を
下げることができる。

【００２８】一方、成膜あるいはエッチングなどのプロ
セス中に半導体基板４の温度が低ければ、半導体基板４
と半導体基板載置面５との間のガスの圧力を下げること
により、半導体基板４と半導体基板載置面５との間の熱
コンダクタンスが下がり、半導体基板４の温度を高くす
ることできる。また、伝熱ガス室２６内部の圧力を下げ
ることによって、保持部材２３と冷却部材２４との間の
熱コンダクタンスを下げ、保持部材２３の温度を高く
し、半導体基板４の温度を高くすることができる。ま
た、冷却部材２４の内部に流入する冷媒の流量を下げ
る、もしくは冷媒流路７に流入する冷媒の温度を上げる
ことにより、冷却部材２４の温度を高くし、その結果、
半導体基板４の温度を高くすることできる。また、発熱
体２５を発熱させることによっても、半導体基板４の温
度を高くすることができる。

【００２９】逆に、成膜あるいはエッチングなどの半導
体製造プロセス中に半導体基板４の温度が高ければ、半
導体基板４と半導体基板載置面５との間のガスの圧力を
上げることにより、半導体基板４と半導体基板載置面５
との間の熱コンダクタンスを上げ、半導体基板４の温度
を低くすることできる。また、伝熱ガス室２６内部の圧
力を上げることによって、保持部材２３と冷却部材２４
との間の熱コンダクタンスを上げ、保持部材２３の温度
を低くし、半導体基板４の温度を低くすることできる。
また、冷却部材２４の内部に流入する冷媒の流量を上げ
る、もしくは、冷媒流路７に流入する冷媒の温度を下げ
ることにより、冷却部材２４の温度を低くし、その結
果、半導体基板４の温度を低くすることできる。

【００３０】図５に本発明の第４実施例を示す吸着装置
１の側断面の拡大図を示す。

【００３１】この実施例では、中心部における伝熱ガス
室２６の上壁と下壁との距離を、外周部よりも小さくし
ている。なお、伝熱ガス室２６の上壁とは、伝熱ガス室
２６の壁のうち、保持部材２３が構成するものを示し、
伝熱ガス室２６の下壁とは、伝熱ガス室２６の壁のう
ち、冷却部材２４が構成するものを示すものとする。実
施例１〜３と本実施例との違いは以下の点である。すな
わち、半導体基板４にプラズマ処理を行う際に、プラズ
マ２１の不均一などが原因で、プラズマ２１から半導体
基板４への入熱量が中心部において大きくなる場合があ
る。その場合に、伝熱ガス室２６における熱コンダクタ
ンスが均一な場合、中心部において半導体基板４の温度
が高くなり、半導体基板４のプラズマ処理の品質が悪く
なる。しかしながら、中心部における伝熱ガス室２６の
上壁と下壁との距離を外周部よりも小さくすることによ
り、中心部における熱コンダクタンスを大きくできる。
それにより、半導体基板４の中心部での温度上昇が抑え
られ、面内温度均一性が向上する。

【００３２】なお、本実施例では中心部における伝熱ガ
ス室２６の上壁と下壁との距離を外周部よりも小さくし
たが、それに限定するものではない。例えば半導体基板
４への入熱量が中心部で小さく、外周部で大きくなるな
らば、外周部における伝熱ガス室２６の上壁と下壁との
距離を中心部よりも小さくすることにより、外周部にお
ける熱コンダクタンスを大きくできる。それにより、半
導体基板４の外周部での温度上昇が抑えられ、面内温度
均一性が向上する。

【００３３】次に、第１〜４実施例の半導体処理装置を
用いて半導体基板４にプラズマCVDによる成膜処理を行
う手順を説明する。さらに、図６を参考に、この処理手
順にしたがって本発明の主たる作用と効果を説明する。
なお、図６は発熱体２５の発熱量Ｑ１、プラズマ２１か
ら半導体基板４への入熱量Ｑ２、伝熱ガス室２６内の圧
力Ｐ１、半導体基板載置面５の温度Ｔ１、半導体基板４
の温度Ｔ２の時間変化の一例を示す図である。それぞれ
のグラフの横軸は時間を表しており、横軸で同じ位置に
あれば同じ時間であることを示す。また、時間軸の下に
ある括弧付きの数字は、以下説明する動作の番号と対応
している。

【００３４】（１）時間t0に発熱体２５を発熱させる。
これにより、保持部材２３の加熱を行うが、伝熱ガス室
２６内の圧力を処理室１４と同じ数Pa程度にすることに
よって、伝熱ガス室２６を通しての熱コンダクタンスを
ほとんど０にする。これにより、発熱体２５による保持
部材２３の加熱は、冷媒流路７へはほとんど影響しな
い。つまり、冷媒流路７の壁面温度はほとんど上昇しな
い。ここで、図６ではＱ１を時間t0における立ち上げ時
を除くt0〜t1の時間帯で一定としているが、必ずしも一
定である必要はなく、Ｑ１をt0〜t1の間で変化させても
よい。

【００３５】（２）処理室１４に半導体基板４を搬入
し、半導体基板載置面５に設置する。このとき、吸着用
電極２および２’に給電し、半導体基板４を半導体基板
載置面５に吸着させ、半導体基板４と半導体基板載置面
５との間に、ヘリウムなどの伝熱ガスを流入させる。そ
れにより、半導体基板４と半導体基板載置面５との間の
熱コンダクタンスを上昇させ両者間の伝熱を良好に行わ
せ、半導体基板４の予備加熱を行う。ここで、図６では
Ｑ１をt2における立ち下げ時を除くt1〜t2の時間帯で一
定としているが、必ずしも一定である必要はなく、Ｑ１
をt1〜t2の間で変化させてもよい。

【００３６】（３）伝熱ガス室２６にヘリウムなどの伝
熱ガスを流入、保持する。

【００３７】（４）保持部材２３内部の発熱体２５の発
熱を停止すると共に、処理室１４内に処理ガスを導入
し、プラズマ２１を発生させて半導体基板４上に膜を堆
積させる。前記（３）の動作で伝熱ガス室２６にヘリウ
ムなどの伝熱ガスを流入、保持した。これにより、伝熱
ガス室２６を通した保持部材２３と冷却部材２４との間
の熱コンダクタンスを上昇させ、両者間の伝熱を良好に
行い、冷却部材２４を冷却することにより半導体基板載
置面５の温度を下げ、Ｔ２を制御することができる。t2
〜t3の半導体基板載置面５の温度Ｔ１と半導体基板４の
温度Ｔ２のグラフの実線曲線部分は本実施例を示すもの
であり、破線曲線部分は従来より行われているプラズマ
処理を示す。従来の技術では、プラズマ処理初期におけ
るＴ１やＴ２が低く、プラズマ処理中の温度変化が大き
いが、本発明の実施により、プラズマ処理中の温度変化
を小さく抑えることができる。

【００３８】ここで図６では、Ｐ１をt2における立ち上
げ時を除くt2〜t3の時間帯で一定としているが、必ずし
も一定である必要はなく、Ｐ１をt2〜t3の間で変化させ
てもよい。

【００３９】（５）処理ガスの供給を止めてプラズマ２
１を消滅させ、プラズマ処理を終了する。

【００４０】（６）プラズマ処理が終了した半導体基板
４を処理室１４の外に搬出する。また、伝熱ガス室２６
から伝熱ガスを排出し、圧力を処理室１４と同じ数Pa程
度にする。これにより、伝熱ガス室２６を通した保持部
材２３と冷却部材２４との間の熱コンダクタンスをほと
んど0にし、両者間の伝熱量をほとんど0にする（７）時間t0’に発熱体２５を発熱させ、保持部材２３
の加熱を行う。t0〜t3までの処理によって、t0’におけ
るＴ１はt0におけるＴ１よりも高くなっているため、t
0’〜t1’におけるＱ１をt0〜t1のときよりも小さくし
て加熱を行う。ここで図６ではＱ１をt0’における立ち
上げ時を除くt0’〜t1’の時間帯で一定としているが、
必ずしも一定である必要はなく、Ｑ１をt0’〜t1’の間
で変化させてもよい。また、t0’におけるT1が十分高
く、t0’〜t1’において被処理体載置面５を加熱する必
要が無ければ、発熱体２５による加熱を行わなくてもよ
い。

【００４１】なお、前記（６）の動作によって伝熱ガス
室２６を通しての熱コンダクタンスはほとんど０であ
る。これにより、発熱体２５による保持部材２３の加熱
は、冷媒流路７へはほとんど影響しない。つまり冷媒流
路７の壁面温度はほとんど上昇しない。

【００４２】（８）処理室１４に新たな半導体基板４を
搬入し、半導体基板４を半導体基板載置面５に設置す
る。このとき、吸着用電極２および２’に給電し、半導
体基板４を半導体基板載置面５に吸着させ、半導体基板
４と半導体基板載置面５との間にヘリウムなどの伝熱ガ
スを流入させる。それにより、半導体基板４と半導体基
板載置面５との間の熱コンダクタンスを上昇させ、両者
間の伝熱を良好に行わせ、半導体基板４の予備加熱を行
う。ここで図６ではＱ１をt2’における立ち下げ時を除
くt1’〜t2’の時間帯で一定としているが、必ずしも一
定である必要はなく、Ｑ１をt1’〜t2’の間で変化させ
てもよい。また、t0’におけるT1が十分高く、t0’〜t
1’において被処理体載置面５を加熱する必要が無けれ
ば、発熱体２５による加熱を行わなくてもよい。ここで
半導体基板４の温度T2をt2およびt2’において等しく、
つまり毎回の半導体処理プロセスにおいて、処理開始時
のT2を等しくすることが重要である。

【００４３】（９）伝熱ガス室２６にヘリウムなどの伝
熱ガスを流入、保持する。

【００４４】（１０）保持部材２３内部の発熱体２５の
発熱を停止するとともに、処理室１４内に処理ガスを導
入し、プラズマ２１を発生させて半導体基板４上に膜を
堆積させる。前記（９）の動作で伝熱ガス室２６にヘリ
ウムなどの伝熱ガスを流入、保持したが、これにより伝
熱ガス室２６を通した保持部材２３と冷却部材２４との
間の熱コンダクタンスを上昇させ、両者間の伝熱を良好
に行い、冷却部材２４を冷却することにより半導体基板
載置面５の温度の制御を可能とし、Ｔ２を制御すること
ができる。

【００４５】ここで図６では、Ｐ１をt2’における立ち
上げ時を除くt2’〜t3’の時間帯で一定としているが、
必ずしも一定である必要はなく、Ｐ１をt2’〜t3’の間
で変化させてもよい。

【００４６】（１１）処理ガスの供給を止めてプラズマ
２１を消滅させ、プラズマ処理を終了する。

【００４７】（１２）プラズマ処理が終了した半導体基
板４を処理室１４の外に搬出する。また、伝熱ガス室２
６から伝熱ガスを排出し、圧力を処理室１４と同じ数Pa
程度にする。これにより、伝熱ガス室２６を通した保持
部材２３と冷却部材２４との間の熱コンダクタンスをほ
とんど0にし、両者間の伝熱量をほとんど0にする以上説
明した手順（７）〜（１２）をこの後に繰り返すことに
より、半導体基板４を連続して処理することができる。
なお、半導体基板４を連続して処理する場合、発熱体２
５の発熱量Ｑ１、伝熱ガス室２６内の圧力Ｐ１、半導体
基板４と半導体基板載置面５との間に流入させるガス圧
力、冷却部材中に流入させる冷媒の流量および温度は、
毎回の処理プロセスにおいて同一のものを用いることが
最適だとは限らない。また、本実施例で重要なのは、t2
〜t3およびt2’〜t3’におけるＴ２の変化を小さくする
こと及びt2〜t3におけるＴ２を毎回の処理プロセスで再
現させることであり、t0〜t3もしくはt0’〜t3’におけ
る発熱体２５の発熱量Ｑ１、伝熱ガス室２６の圧力Ｐ
１、保持部材２３上面の温度Ｔ１は図６に示したものに
限らない。

【００４８】また、本実施例に示した半導体処理方法に
おいて、成膜あるいはエッチングなどの半導体処理プロ
セスの初期における半導体基板４の温度、および半導体
処理プロセス中における半導体基板４の温度を、フィー
ドバック制御によって管理することで、半導体基板４
に、より高品質な半導体処理を行うことができる。

【００４９】成膜あるいは、エッチングなどの半導体処
理プロセスの初期の温度を管理するためには、t1〜t2も
しくはt1’〜t2’にT2を管理することが重要である。

【００５０】例えば、t1〜t2もしくはt1’〜t2’にT2の
上昇が遅ければ、半導体基板４と半導体基板載置面５と
の間のガスの圧力を上げることにより、温度を上げた半
導体基板載置面５と半導体基板４との間の熱コンダクタ
ンスを大きくし、Ｔ２の上昇を速くすることができる。
また、Ｑ１を上げることにより半導体基板載置面５の温
度上昇を速くし、半導体基板４を温度上昇を速くするこ
とができる。

【００５１】逆にt1〜t2もしくはt1’〜t2’にT2の上昇
が速ければ、Ｑ１を小さくすることによりＴ２の上昇を
遅くすることができる。また、半導体基板４と半導体基
板載置面５との間のガスの圧力を下げることにより、温
度が上がった半導体基板載置面５と半導体基板４との間
の熱コンダクタンスを小さくし、Ｔ２の上昇を遅くする
ことができる。また、Ｐ１を上げることにより、保持部
材２３と冷却部材２４との間の熱コンダクタンスを大き
くし保持部材２３の温度上昇を遅くし、Ｔ２の上昇を遅
くすることができる。また、冷却部材２４の内部に流入
する冷媒の流量を上げる、冷却部材２４内部に流入する
冷媒の温度を下げるなどの制御によりＴ２の上昇を遅く
することができる。

【００５２】また、t1〜t2もしくはt1’〜t2’にT2がオ
ーバーシュートし、高くなったＴ２を下げる必要がある
場合は、Ｑ１を小さく、あるいは0にし、Ｐ１を上げる
ことにより、保持部材２３と冷却部材２４との間の熱コ
ンダクタンスを大きくしＴ１を下げ、その結果Ｔ２を下
げることができる。また、冷却部材２４の内部に流入す
る冷媒の流量を上げる、冷却部材２４内部に流入する冷
媒の温度を下げるなどの制御によりＴ２を下げることが
できる。

【００５３】一方、t2〜t3もしくはt2’〜t3’にＴ２が
低ければ、半導体基板４と半導体基板載置面５との間の
ガスの圧力を下げることにより、半導体基板４と半導体
基板載置面５との間の熱コンダクタンスが下がり、Ｔ２
を高くすることできる。また、Ｐ１を下げることによっ
て、保持部材２３と冷却部材２４との間の熱コンダクタ
ンスを下げ、Ｔ１を高くし，その結果Ｔ２を高くするこ
とができる。また、冷却部材２４の内部に流入する冷媒
の流量を下げる、もしくは冷媒流路７に流入する冷媒の
温度を上げることにより、冷却部材２４の温度を高く
し、その結果、Ｔ２を高くすることできる。また、発熱
体２５を発熱させることによってもＴ２を高くすること
ができる。

【００５４】逆にt2〜t3もしくはt2’〜t3’にＴ２が高
ければ、半導体基板４と半導体基板載置面５との間のガ
スの圧力を上げることにより、半導体基板４と半導体基
板載置面５との間の熱コンダクタンスが上がり、Ｔ２を
低くすることできる。また、Ｐ１を上げることによっ
て、保持部材２３と冷却部材２４との間の熱コンダクタ
ンスを上げ、Ｔ１を低くし、その結果Ｔ２を低くするこ
とできる。また、冷却部材２４の内部に流入する冷媒の
流量を上げる、もしくは冷媒流路７に流入する冷媒の温
度を下げることにより、冷却部材２４の温度を低くし、
その結果Ｔ２を低くすることできる。

【００５５】ここではプラズマCVDを例にして処理方法
を説明したが、これはプラズマCVDに限るものではな
く、例えばプラズマエッチング、熱CVDなど、半導体製
造の他の手段による処理に使用できることは言うまでも
ない。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、吸
着装置を用いた半導体処理装置において、半導体基板を
高温に予備加熱が可能であり、応答性の良い温度制御を
半導体基板に行うことが可能な半導体処理装置を提供で
き、また半導体基板に行う、優れた半導体処理方法を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第1実施例を示す半導体処理装置の側
断面図である。

【図２】本発明の第1実施例を示す半導体処理装置に使
用されている吸着装置の側断面の拡大図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す半導体処理装置に使
用されている吸着装置の側断面の拡大図である。

【図４】本発明の第３実施例を示す半導体処理装置に使
用されている吸着装置の側断面の拡大図である。

【図５】本発明の第４実施例を示す半導体処理装置に使
用されている吸着装置の側断面の拡大図である。

【図６】本発明の第５実施例を示す半導体処理方法を示
すシーケンス図である。

【図７】吸着装置の従来例を示す側断面図である。

【符号の説明】

１…吸着装置、２…吸着用電極、３…絶縁材、４…半導
体基板、５…半導体基板載置面、６…伝熱ガス供給管、
７…冷媒流路、８…流体供給口、９…流体排出口、１０
…カバー、１１…直流電源、１２…側壁、１３…石英
蓋、１４…処理室、１５…ノズル、１６…処理ガス、１
７…導波管、１８…マイクロ波、１９…放電管、２０…
コイル、２１…プラズマ、２２…排気口、２３…保持部
材、２４…冷却部材、２５…発熱体、２６…伝熱ガス
室、７…管、２８…プッシャーピン、２９…プッシャー
ピン導入管、３０…ボルト、３１…Ｏリング、３２…温
度計。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星野正和茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者瀬戸山英嗣茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分事業所内 (72)発明者石黒浩二茨城県日立市国分町一丁目１番１号株式会社日立製作所国分事業所内Ｆターム(参考） 5F004 AA16 BA15 BB11 BB18 BB22 BB26 BC08 CA04 5F031 CA02 HA16 HA23 HA37 HA38 HA40 MA28 MA32 5F045 AA08 DP03 EM05 EM07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板を保持するための保持部材と、
冷却を行うための冷却部材を備えた吸着装置において、前記保持部材と前記冷却部材との間にガスを封入、排出
できる伝熱ガス室を設けたことを特徴とする吸着装置を
備えた半導体処理装置。
【請求項２】前記保持部材の内部に吸着用電極を備え、
前記半導体基板と前記保持部材との間にガスを導入する
手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体
処理装置。
【請求項３】前記冷却部材の内部に冷媒を流入すること
を特徴とする請求項１もしくは２に記載の半導体処理装
置。
【請求項４】前記保持部材の内部に発熱体を備えたこと
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体処
理装置。
【請求項５】前記半導体基板と前記保持部材と、前記冷
却部材と前記伝熱ガス室が、上から前記処理体、前記保
持部材、前記伝熱ガス室、前記冷却部材の順に配置され
たことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半
導体処理装置。
【請求項６】前記半導体基板の温度と、前記保持部材の
温度と、前記冷却部材に流入する前記冷媒の温度と、前
記伝熱ガス室内の圧力のうち少なくとも１つを測定する
手段を有し、その測定結果を用いて、前記発熱体の発熱
量と、前記半導体基板と前記保持部材との間に供給され
た気体の圧力と、前記冷却部材内の前記冷媒流路内の前
記冷媒の温度と、前記冷却部材内の前記冷媒流路内の前
記冷媒の流量と、前記伝熱ガス室の圧力のうち、少なく
とも一つをフィードバック制御する請求項１〜５のいず
れかに記載の半導体処理装置。
【請求項７】処理室内に半導体基板を搬入し発熱体を内
蔵した保持部材上に半導体基板を吸着する工程と、半導
体基板と保持部材との間に気体を供給して圧力を上昇さ
せる工程と、保持部材内部の発熱体を発熱させて半導体
基板を加熱する工程と、処理室内にプラズマを発生させ
るとともに保持部材と冷却部材との間に気体を供給して
圧力を上昇させる工程と、プラズマを消滅させ成膜を終
了させる工程と、半導体基板を処理室から搬出する工程
を含むことを特徴とする半導体処理方法。
【請求項８】処理室内に半導体基板を搬入し発熱体を内
蔵した保持部材上に半導体基板を吸着する工程と、半導
体基板と保持部材との間に気体を供給して圧力を上昇さ
せる工程と、保持部材内部の発熱体を発熱させて半導体
基板を加熱する工程と、処理室内に処理ガスを導入させ
るとともに保持部材と冷媒流路を内蔵した冷却部材との
間に気体を供給して圧力を上昇させる工程と、処理ガス
の導入を止め、処理を終了させる工程と、半導体基板を
処理室から搬出する工程を含むことを特徴とする半導体
処理方法。
【請求項９】請求項７または請求項８に記載の半導体処
理方法において、前記各工程を１サイクルとして連続して繰り返すことに
より複数枚の基板を処理する時に、前記保持部材内部の
発熱体を発熱させて半導体基板を加熱する工程の発熱熱
量を、各処理サイクル毎に異ならせることを特徴とする
半導体処理方法。
【請求項１０】請求項７または請求項８に記載の半導体
処理方法において、前記各工程を１サイクルとして連続
して繰り返すことにより複数枚の基板を処理する時に、
前記保持部材と冷媒流路を内蔵した冷却部材との間に気
体を供給して圧力を上昇させる工程において、各処理サ
イクルごとに異なる圧力を与えることを特徴とする半導
体処理方法。