JP4906425B2

JP4906425B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4906425B2
Application number: JP2006202715A
Authority: JP
Inventors: 賢悦横川; 匠丹藤; 誠一郎菅野
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
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Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008034408A; US7771564B2; US20080023147A1

Description

本発明は、半導体装置を製造するために試料を処理する装置に係り、特に、プラズマを用いて処理対象の試料である基板状の半導体ウエハ表面に形成されたシリコン膜やシリコン酸化膜等の各種膜をエッチング或いは成膜する処理を行うものであって高効率で高精度な処理を行える装置に関する。

上記のような、半導体装置を製造するための処理装置の代表例としては、半導体ウエハ等の基板上にリソグラフィー技術によってパターニングされたレジスト等がマスクとしてその上面に形成されたシリコン膜やシリコン酸化膜等の半導体装置の構成材料の膜を、装置内部に配置された高度に真空にされる処理室内に生成されたプラズマを用いてエッチング処理するプラズマエッチング装置に関するものがある。このような装置において行われるプラズマエッチングでは、真空容器内部に配置された処理室内に導入した処理用のガスを処理室内に供給した高周波電力による電界によりプラズマ化し、このプラズマに被加工材の試料である基板表面を曝すことで基板上に上記処理対象の膜のエッチング加工を行う。

このエッチングを行う際、被加工材である試料には、これがその上面に載置される試料台内に配置された下部電極に高周波電力を供給することで試料にも高周波電力による電位を形成することで、プラズマ中の荷電粒子を試料表面側に誘引して加工効率を高め高速加工を行うことができる。この際、上記試料はプラズマに曝されており、さらに、下部電極に高周波電力が印加されることで加熱される。一方、試料表面の加工の形状やその速度等のエッチング処理の特性は試料表面の温度（加工対象の膜表面の温度）により大きく影響されることから、エッチングによる加工結果を所望のものとするためには、処理対象の表面の温度を適正な範囲に調節することが必要となる。よって、従来の上記処理装置には、試料を載置する試料の設置手段、例えば、試料台内部には上記試料を冷却する等の試料の温度を調節するための手段が搭載されている。

特に、シリコン酸化膜に代表される絶縁膜のエッチング処理では、一般的に、金属膜やシリコン等のゲート用膜をエッチングする場合と比べ大きな電力、例えば、試料の単位面積当たりに１.５Ｗ／cm²以上の電力を下部電極に印加する。さらに、近年では、より高速な加工を実現するために１０Ｗ／cm² 以上の高周波電力の印加が要求されている。このような大きな電力を下部電極または試料に印加する場合には、より高い効率で試料台またはウエハを冷却できる冷却手段が必要となる。この要求に対応する冷却手段として、試料台内部に冷媒の通路を有し、この冷媒通路を含んで、圧縮機，凝縮器，膨張弁などで構成される冷凍サイクルにより試料台または試料を冷却する技術が考えられている。

このような従来の技術としては、特開２００５−０８９８６４号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。この従来技術では、処理室内に試料を載置するための試料台内部に冷凍サイクルを構成する通路であって熱交換媒体（冷媒）が通流する通路が配置され、この通路内で冷媒が蒸発して直接的に膨張し潜熱を放出することで、試料台及びその上面に載置された試料と熱交換して試料台と試料の温度を冷却する技術が開示されている。つまり、この従来技術では、試料台または試料台内部の冷媒の流路が冷凍サイクルの熱交換器である蒸発器としての機能を有した構成を備えている。

特開２００５−８９８６４号公報

上記従来技術に開示された試料台内部で冷媒が直接的に膨張して試料台を冷却する、所謂、直膨式の冷凍サイクルを用いたものでは、試料の設置手段である試料台内での冷却用冷媒の蒸発による気化熱で試料又は試料台を冷却するため、試料台内部の通路を流れた熱交換媒体がその外側において別の冷却手段と熱交換する間接的な冷却装置と比べ高い冷却効率が実現できる。しかしながら、上記従来技術では、試料台内部の冷媒通路内の液体状態の冷媒と気体状態の冷媒との量の比率が、通路の入口側と出口側とで異なってしまう。つまり、通路の入口側での気体状態の冷媒の量に対して通路の出口側では、冷媒が通路内で熱交換をした結果、気化して気体状態となった冷媒が多くなる。

このため、通路の入口側と出口側とでの熱交換する冷媒の量の差による冷却の効率に差が生じてしまい、試料台上に載置されて冷却される半導体ウエハ等の試料の面内で温度差が生じてしまうという問題点について、上記従来技術では考慮が不十分であった。こうして、試料の面内で温度差が生じるとプラズマエッチングの特性に面内差が生じて、加工の結果得られる形状が試料の面上で不均一となってしまうという問題について、上記従来技術では十分に考慮されていなかった。

本発明の目的は、試料の処理中にその面内に生じる温度差を抑制し、処理の均一性を向上できるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空容器と、この真空容器内部に配置されて上部に試料が載置される試料載置面を有した試料台とを備え、前記処理室内にプラズマを形成して前記試料載置面上に載置された試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記試料台は、その内部に蒸発してこの試料台の温度を調節するための冷媒が供給される蒸発器として冷凍サイクルの一部を構成して配置され、前記試料台内部に配置され内部に冷媒が供給されて分散するとともに蒸発する分散空間と、前記試料載置面と対向して配置された前記分散空間の天井面と、前記分散空間の下方に配置されその上面の複数箇所に前記冷媒が前記前記天井面へ向かって流出する複数の冷媒導入孔を有した円板状部材とを備え、前記円板状部材がその内部に前記冷媒導入孔と連通して配置され前記冷媒が供給されて拡散する拡散空間を有し、前記分散空間は前記天井面と前記円板状部材の上面との間に挟まれた高さの小さな空間であって前記流出した冷媒が前記天井面に吹き付けられ分散しつつ蒸発する分散空間であり、この分散空間の外周側に位置して前記円板状部材の外周を囲んで配置され前記分散空間で分散した冷媒が流入する高さの大きなリング状空間とを有し、前記リング状空間の下部でこれに連通して配置され前記冷媒が排出される排出口とを備えたプラズマ処理装置により達成される。

さらにまた、前記天井面に配置され前記冷媒がその内側に導入される複数の凹み部を備えたことにより達成される。さらには、前記複数箇所から供給される冷媒が前記凹み部の内部に直接的に導入されることにより達成される。

さらにまた、前記複数の凹み部が前記試料台の中心側から外周側に放射状に延びる複数の溝により構成されたことにより達成される。さらには、前記放射状に延びる溝はその前記試料台外周側の幅が中心側の幅より大きな形状を有し、この溝内に供給された前記冷媒が前記試料台の中心側から外周側に向けて移動することにより達成される。

さらにまた、前記試料載置面とこの上に載せられた前記試料との間に熱伝達ガスを供給するための供給経路を備えたことにより達成される。さらにまた、前記試料台の内部で熱交換した後に外部に排出された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの前記冷媒を凝縮する凝縮器とを有し、前記試料台を前記凝縮器から排出された冷媒が蒸発する蒸発器として備えた冷凍サイクルを備えたことにより達成される。

本発明では、試料の設置手段である試料台を直膨式冷凍サイクルの蒸発器として用い、この試料台に載置される試料の冷却を行うプラズマ処理装置において、試料台内部の冷媒の入口および出口で生じる冷却冷媒の状態に伴う冷却効面内差を抑制し、冷却効率または加工均一性を向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に本発明の実施の形態を示す。図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置の試料台近傍の構成をより詳細に示す模式図である。この図２の試料台では、その上面に絶縁体膜１を有する試料台２の内部構造およびこの試料台２を蒸発器とする冷凍サイクルの構成を示している。

図１において示すプラズマ処理装置は、真空容器４内の空間である処理室内に配置された図２に示す試料台２，処理室内に電界を印加するためのアンテナを含む電界供給手段３，処理室内の生成物の粒子，ガス等気体を排気する真空ポンプ５，処理室の試料台２上方の空間に処理用ガスを導入するためのガス導入経路６を備えている。

このガス導入経路６は、バルブ１０４及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ）等の流量調節器１０３を介してガス源１０２と連結されている。このガス源１０２から上記流量調節器１０３により流量を調節された処理用ガスは、ガス導入経路６を通って、処理室内の試料台２上方の処理室天井面を構成して試料７上方でその全体を覆って配置されたシリコン等の導電体製の円板状のシャワープレート１０７に配置された複数の微小径の貫通孔
１０８から試料台２上方の空間に導入される。

複数の貫通孔１０８は試料台２の試料載置面上方でこの全体にわたって略均等に配置されている。また、ガス導入経路６を通流したガスは、真空容器４内のシャワープレート
１０８と真空容器４内の試料台２上方で試料載置面と対抗して配置され電界供給手段３を構成する円板状の導電性部材から構成されたアンテナ１０５の下面との間の空間であって上記円板の面方向に延在する空間１０６内に導入され、この空間１０６内でガスが面方向に分散して複数の貫通孔１０８から試料載置面の方向（下方）に略均等に流入する。

処理室内に導入された処理用ガスは、電界供給手段３に連結され特定の周波数域、例えば、ＵＨＦ帯やＶＨＦ帯の高周波を供給する電波源１０１から電力が供給されたアンテナ１０５から処理室内に印加された電界によりプラズマ９となって、試料台２上面に載せられた試料７に所定の処理、例えば、エッチング処理が施される。なお、上記アンテナ105と真空容器４との間には、アンテナ１０５の上方，側方の外周を囲むように石英等の絶縁体製部材が充填されて配置されている。

上記エッチング等の処理に伴って処理室内に生成された反応生成物等の粒子および前記処理用ガスやプラズマ９内のイオン，電子等の粒子は、前記真空ポンプ５の動作により、試料台２外周の空間から試料台２下方に移動して真空ポンプ５を通して排出され、処理室内の圧力が所定の高度な真空度に維持される。

この処理室内において処理される対象である半導体ウエハ等の基板状の試料７は、試料台２上面の試料載置面である絶縁体膜１上に載置された後、試料台２内に配置された導電性部材から構成された電極に直流電源８から低域通過フィルタ２８を介して印加された直流電圧により形成された静電気により静電吸着される。上記試料台２内の静電吸着するための電極は、絶縁体膜１内に薄膜として配置されたものであっても良い。

試料台２内の導電性部材の電極には、高周波電源１０からの高周波電力も印加されている。この高周波電力により試料７表面に生起される高周波電圧により、プラズマ９中の荷電粒子であるイオンが加速され試料７表面に入射することで、エッチングの反応が促進され高い効率で加工を行うことができる。この試料台２を介して試料７に印加される高周波電力のエネルギーの大半は、最終的には試料７を過熱する熱エネルギーとなる。一方、上記エッチングの処理の結果得られる形状は処理を受ける表面の温度に大きく影響を受ける。このため、高い精度で試料７を加工するためには、試料７の温度を高い精度で調節することが必要となる。本実施例では、試料７を試料台２によりその温度を調節（冷却）する構成を備えている。

次に、試料７を冷却する構成について述べる。本実施例において、試料７と絶縁体膜１との間には、導入経路１１を通って所定の圧力のヘリウムガスが導入されている。このヘリウムガスは、絶縁体膜１上面でこれに静電吸着された試料７と試料載置面である絶縁体膜１上面との間の空間に充填され、このヘリウムガスの熱伝導により試料７と試料台２との間で熱の伝達が行われる。一方、試料台２内部には冷媒が通流する経路が備えられ、この通流する冷媒による熱交換により試料台２が冷却される。

本実施の例の試料台２の下部には、冷媒をその内部の冷媒の通流路に冷媒が導入される冷媒導入口１２と、その冷媒が試料７から伝達された熱により蒸発して試料台２と熱交換した後、試料台２から流出する冷媒流出口１３とを備えている。このように、本実施例では、試料台２内に導入された冷媒が、試料７から伝達された熱により蒸発して潜熱を吸収して熱交換することで試料台２ひいては試料７の冷却が実施される。

このため、図２に示すように、試料台２は冷媒を循環する１つの冷凍サイクルを構成する。この冷凍サイクルは、試料台２を蒸発器として、他に図２中に示す圧縮器１４，凝縮器１５，膨張弁１６等と冷媒の管路を介して連結され、これらを構成要素に含む直膨式の冷凍サイクルが構成している。このような冷凍サイクルにおいては、試料７から流入した熱を直接的に冷媒の気化熱として試料台２から排出するため、高い冷却効率を実現できる。この高い冷却効率により、試料７に単位面積当たり３Ｗ／cm² 以上の大電力を印加した場合においても、試料の温度を所望の範囲に高精度で調節することが可能な冷却効果を得ることができる。

しかし、このような冷凍サイクルによる温度の調節は、冷媒の気化による熱を奪う方式であるため、冷媒が試料台２内に流入する冷媒導入口１２付近と熱交換した冷媒が排出される冷媒流出口１３付近とでは、液体状態の冷媒と気体状態の冷媒の量の比率が異なり、熱交換した冷媒の量が多い冷媒流出口１３近傍では気体状態の冷媒の割合が大きくなる。このような状態では、冷媒導入口１２の近傍と冷媒流出口１３の近傍との試料台２の冷却効率に差が生じてしまい、試料７の面内で温度差を生じてしまうという問題点があった。本実施例では、この課題を解決するため、図２に示す試料台２の構成を備えている。

すなわち、図２に示す試料台２内部には、上下方向に複数の層をなす構造となっている。すなわち、試料台２内には、冷媒導入口１２から流入した冷媒が通流する経路およびこれを構成する部材が、上下方向に複数の層を構成している。試料台２内に導入された冷媒は、試料台２の中心側の第１の空間に流入したのち、その上方の空間であって第１の空間を覆って外周側に延在する第２の空間に流入しその外周側（試料台２の外周側）に移動する。外周側に移動した冷媒は、外周側下面に配置された冷媒流出口１３から排出される。

略円筒形状である試料台２の内側には、試料台２の中心の軸と略同じ中心を有する略円筒形状の空間が配置され、この円筒の上面であって上記空間の天井面をなす試料台２と同心の略円形の面は、試料台２の試料載置面である絶縁体膜１と略同おなじか大きな径を有しており、試料載置面と対向して配置されている。さらに、この円筒形状の空間の下部には、その空間の内部に収納される略円板形状の部材である分散板４３が配置されており、この分散板４３も試料台２または円筒形状の空間と同じ中心となるように配置されている。

この分散板４３の内部の中心側には、冷媒導入口１２と連通して試料７の面方向に延在する上記第１の空間であって、内部で流入した冷媒が試料の面方向に拡散する拡散空間
１７が配置されている。この拡散空間１７は、分散板４３と試料台２の下面を構成する部材との間に形成された空間となっている。この拡散空間１７に流入し拡散した冷媒は、略円板形状の分散板４３上面と分散板とを連通して分散板４３を貫通する複数の冷媒導入孔１８を通して分散板４３上面と試料台２内部の円筒形空間の上面との間に形成された第２の空間に流入する。なお、図１，図２において、符号２６に代表される破線の矢印は、冷媒の流れる方向を示している。

この際、冷媒は第１の空間である拡散空間１７内で分散した後、分散板４３上部に中心軸周りまたは半径方向に略対象に均等に配置された複数の冷媒導入孔１８から第２の空間に流入する。第２の空間の上面は、試料７または試料載置面と対向した略円形の天井面であり、試料載置面を構成する絶縁体膜１と第２の空間との間の試料台２を構成し試料載置面を介して試料７と熱的に接続された略円板形状の部材の下面である。

この天井面に向かって冷媒導入孔１８から噴出し吹き付けられる。この結果、この天井面に衝突した冷媒の一部は、試料７の面方向に分散するとともに、この天井面を構成する試料台２の部材との間で熱交換して気化する。このため、試料台２および試料載置面上の試料７の熱が吸収されて冷却される。つまり、上記第２の空間は、冷媒が試料台２内部の試料７の対向した面に吹き付けられて分散する分散空間１９となっている。この分散空間１９は、略円形の天上面を構成する試料台２の上部の部材と分散板４３とに挟まれ、その高さの小さな円筒形状の空間であり、各冷媒導入孔１８からの冷媒が勢い良く天上面である試料台２の内表面に吹き付けられて直接的に衝突する構成となっている。

分散空間１９で蒸発して熱を奪った気体状態のものを含む冷媒は、前記円筒形上の空間の分散空間１９の外周側の部分であって、分散板４３の外周側の外周空間４４に流入する。この外周空間４４は略リング状の形状を有して分散板４３の円筒形の外周を囲んでおり、分散空間１９から流出した冷媒が流入して溜り、これに連通された冷媒流出孔１３から試料台２外部に排泄される。排出後の冷媒は、試料台２に連結された冷凍サイクル内を循環して、圧縮器１４で圧縮された後、凝縮器１５において熱を冷却されて熱を冷凍サイクルの外部に排出する。本実施例では、凝縮器１５内で冷媒の管路に並列に配置した冷却水の管路との間で熱交換して冷媒を冷却し凝縮させる。

また、図２に示すように、冷媒導入口１２から流入した液体状態の冷媒を直接的に分散板４３上面から試料載置面の対向面に衝突させないで、拡散空間１７に導入した後に冷媒導入孔１８複数から均等に試料台２上の試料７または試料載置面に対向した面に噴出，衝突させることで、冷媒の気化状態による冷却不均一を抑制して試料７の温度の分布を均一化できる。本実施例では、熱交換の効率を向上するため、上記分散空間１９の天井面を構成する試料台２の部材は、アルミニウム等熱伝達性の高い材質で構成され、天井面の径方向について試料７の面方向に略均等な厚さを備え、厚さ（上下）方向の熱伝達の特性の不均一を抑制し試料７の面内方向の温度分布の均一化が向上されている。

本実施例では、絶縁体膜１と冷媒が衝突して分散する面との間の試料台２内部に、これを加熱するヒーター２０および試料台２の温度を検出する温度センサ２１を備えている。このような構成により、温度センサ２１で検出した結果から得られる試料台２または試料７の温度の情報を用いて、ヒーター２０と連結されてこれに電力を供給するヒーター電源２７の出力，圧縮器１４の回転数および膨張弁１６の開度等の冷凍サイクルの動作の条件について温度制御装置２２で算出してこれらの構成要素に動作指令を発信する。このような動作の調節により、試料７の温度を高精度に連続して調節できる。

なお、図１に示すように、本実施例の試料台２の下方に、真空容器４に対してこれを上下方向に移動可能なアクチュエータ１１０を備え、試料台２および試料載置面の高さ位置を上下方向に変位可能に構成されている。このため、試料台２下面と真空容器４との間に上下方向に伸縮可能なベローズが両者に取り付けられて試料台２下方の冷媒導入口１２，冷媒流出口１３，アクチュエータ１１０等が配置された空間と処理室内の空間とを区画している。この実施例では、試料台２下面が真空容器４内壁面から空間をあけて設置され、冷媒導入口１２，冷媒流出口１３，ヘリウムガス用の導入経路１１等と真空容器との間も伸縮可能なベローズ等が配置されている。

図１および図２に示す実施例では、試料台２に印加する高周波電力の周波数に４ＭＨｚを用いている。しかし、他に８００ｋＨｚから６０ＭＨｚの周波数帯の高周波電力を印加する場合においても同様な作用・効果を奏することができる。

また、本実施の例は、試料７に単位面積当たり３Ｗ／cm² 以上の高周波電力を印加するような条件において、特に有効であり、高電力な高周波電力印加を必要とするＳｉＯ₂，ＳｉＯＣ，ＳｉＯＣＨ，Ｓｉ₃Ｎ₄，ＳｉＣ，Ａｌ₂Ｏ₃を主成分とする絶縁材料のエッチング加工に効果的に適用できる。特に、アスペクト比が１５以上となる高アスペクトの深孔，深溝をＳｉＯ₂ 膜（他にＳｉＯＣ，ＳｉＯＣＨの場合もある）に形成するＨＡＲＣ
(High Aspect Ratio Contact) エッチングでは、高速加工が要求されるため、特に大電力の高周波電力を被加工試料７に印加する必要がある。このような高アスペクトの深孔形成の際に本発明を適用することで、高精度で均一な温度制御が可能となり、高速加工と加工精度の向上を図ることができる。

図３に、本発明の別の実施例を示す。図３は、図１に示すプラズマ処理装置の実施例と異なる実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。なお、以下の実施例では、図１，図２の実施例と同等の構成については、符号を付けていても説明を省略する。

この実施例では、図２に示す構成に対して、試料台２内に配置された試料７の加熱手段であるヒーターを、試料７の中心側及び外周側の複数の領域毎に配置して、各々独立して温度制御装置２２により調節される構成を備えている。本実施例では、試料台２の中心を含む略円形の領域に配置された試料内側ヒーター２３と、その外周側でリング状の試料外側ヒーター２４とを備えた構成となっている。これらは、分散空間１９の上面と試料載置面である絶縁体膜１との間の試料台２の内部の領域に配置されている。また、温度センサ２１もそれぞれの領域に設置されている。

図３の実施例では、これら試料内側ヒーター２３と試料外側ヒーター２４の出力を、それぞれに対応して配置された温度センサ２１による検出の結果にもとづき、各々を独立に制御することで、試料７の面内の温度分布を同心状に任意に制御することができる。この温度分布を調節する構成により、エッチング形状の試料７の面内方向についての不均一を抑制して高精度に加工することができる。

さらに、本実施例では、試料台２の試料内側ヒーター２３と試料外側ヒーター２４の間の部分には、これらが配置された試料台２の領域間での熱の伝達を抑制するためのリング状のスリット２５が形成されている。このスリット２５は、試料台２の高さ方向に溝が形成されたものであり、絶縁体膜１と分散空間１９との間の試料台２の部材の高さ方向の厚さを低減して熱の伝達を抑制している。この構成により、試料７中心側とその外側の領域の温度の制御性を高めている。

図３の実施例は、加熱手段および温度測定手段を２つ領域に各々配置したが、同様に３領域以上の領域に独立した領域に加熱手段および温度測定手段を配置することで、より精密な試料７の面内の温度分布を調節することが可能となる。

図４に本発明のさらに別の実施例を示す。図４は、本発明の別の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。

この図４の実施例は、図４（ａ）に示すように、試料台２内の第２の空間である分散空間１９の天上面を構成する試料台２の部材の表面に、複数の冷却溝２９を有している。本実施例では、拡散空間１７から分散板４３の冷媒導入孔１８複数を通って分散空間１９に噴出した冷媒は、上方の冷却溝２９の凹みの内側表面に直接衝突して分散するように複数の冷媒導入孔１８の少なくとも１つの位置が配置されている。

好ましい実施例は、各冷媒導入孔１８の開口に対応してその凹みの内側が開口の上方に位置するよう配置された冷却溝２９を備えるとともに、図４（ｂ）に示すように、これら冷却溝２９同士の間に複数の冷却溝２９を多数配置して、試料載置面に対向する分散空間１９の天井面の領域全体に冷却溝２９を備える構成である。なお、図４（ｂ）に示す本実施例では、各冷却溝２９は略格子状の凹み部を備えて、隣り合う格子の各辺が略平行となるように配置されて、分散空間１９の天上面の特定の２つ方向について、行または列をなすように配置されている。

このような冷却溝２９が試料台２の空間の上方に配置されたことにより、この冷媒が衝突して熱交換を生起させる試料台２内の冷却面積を増加するができ、冷媒による冷却効率の向上が可能となる。また、このような冷却溝２９により、第２の空間である拡散空間
１９と試料載置面との間の試料台２の部材の厚さを、構造的な強度の低下を抑えつつ実効的に薄くすることができ、熱容量を低くおさえることができる。この熱容量を低くすることで、冷媒温度の変化に高速に対応して試料温度を制御することが可能となる。

図５に、本発明の他の実施例を示す。図５は、本発明の他の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。

この図５の実施例は、図４の実施例の試料台２を上部材２ａと下部材２ｂに分割して、これら上部材２ａと下部材２ｂとを、分散板４３上面であっての分散空間１９内の複数箇所に配置された固定用梁３０とこの内側を貫通して配置された梁固定用ボルト３１とにより締結した構造とした点を特徴としている。

分散空間１９内で冷媒が蒸発する構成を備えた本発明の構成では、これら冷媒の気化による膨張で試料台２の上部材２ａ（特に、分散空間１９と試料載置面との間の部材）を冷却する構成であるため、分散空間１９内部の圧力が５〜２０気圧程度の圧力となる。このため試料台２は、この圧力に対して試料載置面の変形や試料台２内外のシールを維持する為の強度を備える必要がある。

本実施例では、図５（ａ）に示すように、固定用梁３０，３０′および梁固定ボルト
３１により分散空間１９及び分散板４３、さらに下方の拡散空間１７を貫通して上部材
２ａ及び下部材２ｂとを締結し、これらを連結する構成となっている。このような構成により、試料台２の構造的強度が増加される。

本実施例は、図５（ｂ）に示すように、図４の実施例に示す冷却溝２９が分散空間１９の上面である上部材２ａ表面に形成されており、これら冷却溝２９によりその周囲が囲まれて固定用梁３０が配置され、その内側に形成された梁固定用ボルト孔３３を備えている。また、梁固定用ボルト３１は、試料台２の中心側およびその外周側の各々において、略同心状の円周上に位置し下部材２ｂの下方から上方に向けて嵌入される。この結果、中央側，外周側の各梁固定用ボルト３１は、下部材２ｂ固定用梁３０及び梁固定用ボルト孔
３３，分散板４３を貫通して、分散空間１９上方の上部材２ａにねじ込まれる。

さらに、上部材２ａと下部材２ｂ同士は、試料台２外周側端部同士が当接して、これらの間に配置された図示しないシール部材を挟んで外周側の梁固定用ボルト３１′により締結される。こうして、分散板４３の内外の拡散空間１７，分散空間１９内部と試料台２外部とが密に封止される。

このような構成により、本実施例では、試料台２の強度の低減を抑制しつつその熱容量の低下または冷媒の熱接触面積の増加を実現できる。

図６に本発明の他の実施例を示す。図６は、本発明の他の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図及び上面図である。

図６の実施例では、図４または図５に示す試料台２の上部部材に配置された冷却溝２９に替えて、分散空間１９の天井面に試料台２の中心から外周側に延在する複数の放射状冷却溝３２を配置した構成となっている。その他の構成は、図６（ａ）に示すように、固定用梁３０及び梁固定用ボルト３１を含め、図５に示された実施例と同等である。

本実施例において、分散板４３上面に配置された冷媒導入孔１８の開口位置は放射状冷却溝３２の凹み部下方に配置されている。すなわち、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、上方から見て、試料台２の中心とする同心状の中心側および外周側の円周上の複数の放射状冷却溝３２の各々の溝の凹み部分に覆われる位置に冷媒導入孔１８の開口３４が配置されている。これらの開口３４は、試料台２の中心について径方向の複数の半径位置において略円周上で中心に対称に配置となる位置に配置され、半径方向，周方向に均等に冷媒が供給されるよう構成されている。

なお、本実施例での固定用梁３０，梁固定用ボルト３１は、放射状冷却溝３２の凹み同士の間の分散板４３側に突起した凸部に配置されている。さらに、試料台２の中心部に中心と略同心の円板状の固定用梁３０″が配置され、この固定用梁３０″に複数の梁固定用ボルト孔３３が配置されている。

この構成により、拡散空間１７から冷媒導入孔１８を介して噴出した冷媒は分散空間
１９上面を構成する試料台２の上部材２ａの各々の放射状冷却溝３２の凹み内表面と衝突し、この上部材２ａと熱交換する。この結果、蒸発して気化した冷媒が生じるが、この熱交換した冷媒が上部材２ａ表面に滞留していると他の液状態の冷媒の熱交換を阻害してしまい熱交換の効率を低下させてしまうため、効率よく熱交換後の冷媒を試料台２の外周側の冷媒流出口１３に排出する必要がある。

本実施例では、図６（ｂ）に示すように試料台２の上部材２ａの分散空間１９に面する下面に放射状冷却溝３２を備え、分散空間１９上部に中心側から分散板４３の外周側まで到達する冷媒の搬送用の通路を備えている。この放射状の冷却溝３２の各々は、試料台２の中心側に配置された円板状の梁固定用ボルト３１が貫通する固定用梁３０の外周端から分散板４３の外側の外周空間４４の上方まで延びている。また、これら各々の円周方向の幅は、中心側から外周側に向かうにつれて大きくなる、いわば、断面が扇状の形状を有している。

冷媒導入孔１８から分散空間１９に噴出した冷媒は、放射状冷却溝３２の凹み内で上部部材と効率よく接しながら熱交換し、中心側から分散板４３の外周側まで延在した放射状の凹み部の試料台２の半径方向に沿って効率良く輸送される。このことにより、冷媒の分散空間１９上部での滞りを抑制し、液状態の冷媒を試料台２と連続的に接触させることができ、冷媒により冷却の効率の向上を図ることができる。なお、図６の放射状冷却溝３２でも、図４および図５の実施例同様に、試料台２の上部材２ａの熱容量を低減しつつ冷媒の接触面積を増大することが出来るとともに、試料台２の機械的強度の低減を抑制することができる。

図７に本発明の他の実施例を示す。図７は、本発明の他の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。

この図７の実施例は、図６の実施の形態と同様に、試料台２の上部材２ａの分散空間
１９に面する下表面の略円形またはリング状の領域に放射状冷却溝３２を備えている。さらに、その放射状冷却溝３２の外周側の略リング状の領域の試料台２の下表面に放射状冷却溝３６を複数備えている。すなわち、本実施例で冷媒の搬送通路を同心状に２重に配置している。また、これら中心側の領域と外周側の領域の冷媒溝の間に、リング状の溝であるスリット３５が配置されており、両者の間の熱の伝達を抑制してこれらの領域での上下方向の熱の伝達が大きくなるように構成されている。

これら中心側及び外周側の流域の放射状冷却溝３２，３６は、図５に示すように、その凹み部分が試料台２の中心からの半径方向に沿って配置され、試料台２の中心側から外周側に向かうにつれて、その円周方向の幅が大きくなる扇形の凹み部の形状を備えている。また、試料台２の上方から見て、その凹み部に覆われた位置に分散板４３上面に形成された冷媒導入孔１８の中心側の開口３４，外周側の開口３７が配置されている。これらの開口３４，３７は、試料台２の中心について径方向の複数の半径位置において略円周上で中心に対称に配置となる位置に配置され、半径方向，周方向に均等に冷媒が供給されるよう構成されている。

さらに、冷媒導入孔１８から噴き出した冷媒は、各々の放射状冷却溝３２，３６の凹み内部に直接的に衝突して試料台２の上部材２ａと熱交換する構成となっている。さらに、外周側の放射状冷却溝３６は、分散板４３上方の中心側端部から分散板４３の外周端部より外周側の外周空間４４上方まで延在しており、冷媒が試料台２の中心側から外周側の外周空間４４までより円滑に搬送され、分散空間１９上部での冷媒の滞留が抑制されて試料台２内部の熱交換の効率が向上される。分散空間１９の外周側の領域では、中心側の領域からの冷媒が合流して混合され、混合した冷媒は、外側の領域で熱交換し気化した冷媒とともに分散板４３の外側の外周空間４４に上方から流入した後、冷媒流出口１３から試料台２外部に排出され圧縮器１４に流入する。

また、拡散空間１７は中央側の空間とその周囲のリング状の外周側の空間とに、これらの間に配置されたリング状仕切り３８により区画され分割されており、それぞれの空間に冷媒が流入する冷媒導入口３９および４０が接続されている。さらに、冷媒導入口３９および４０は、それぞれ図示しない温度制御装置２２により独立して動作が調節される膨張弁４１および４２が連結され、これらにより調圧された冷媒が各々の空間に導入される構成となっている。

本発明に示す冷凍サイクルでは、上記膨張弁４１，４２による冷媒の圧力調整により導入される冷媒の温度が調節できる。このため、内周側の冷媒導入口３９とこれに対応する膨張弁４１と、及び外周側の冷媒導入口４０とこれに対応する膨張弁４２とにより独立して温度が調整された各々の冷媒は、中心側の放射状冷却溝３２および外周側の放射状冷却溝３６に供給される。また、放射状冷却溝３２，３６が配置された上部材２ａの分散空間１９上表面の中心側および外周側の各々の領域がスリット３５により仕切られていることで、試料７の中心部および外周部の温度を異なる温度に調節すること、およびその温度の分布をより自由に設定することができる。

また、本実施例によれば、図３の実施例で示したヒーター２３，２４を用いずに試料７の面内の温度分布を適正に調節することができる。ただし、図３に示すヒーター２３，
２４を併用することでより広域な温度分布制御が可能なことは言うまでもない。

本発明に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。図１に示すプラズマ処理装置の試料台近傍の構成をより詳細に示す模式図である。図１に示すプラズマ処理装置の実施例と異なる実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。本発明の別の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。本発明の他の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。本発明の他の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図及び上面図である。本発明の他の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。

符号の説明

１…絶縁体膜、２…試料台、３…電界供給手段、４…真空容器、５…真空ポンプ、６…ガス導入経路、７…試料、８…直流電源、９…プラズマ、１０…高周波電源、１１…導入経路、１２，３９，４０…冷媒導入口、１３…冷媒流出口、１４…圧縮器、１５…凝縮器、１６，４１，４２…膨張弁、１７…拡散空間、１８…冷媒導入孔、１９…分散空間、
２０…ヒーター、２１…温度センサ、２２…温度制御装置、２３…内側ヒーター、２４…外側ヒーター、２５，３５…スリット、２６…冷媒の流れ、２７…ヒーター電源、２８…低域通過フィルタ、２９…冷却溝、３０…固定用梁、３１…梁固定用ボルト、３２，３６…放射状冷却溝、３３…梁固定用ボルト孔、３４，３７…開口、３８…リング状仕切り、４３…分散板、４４…外周空間。

Claims

真空容器と、この真空容器内部に配置されて上部に試料が載置される試料載置面を有した試料台とを備え、前記処理室内にプラズマを形成して前記試料載置面上に載置された試料を処理するプラズマ処理装置であって、
前記試料台は、その内部に蒸発してこの試料台の温度を調節するための冷媒が供給される蒸発器として冷凍サイクルの一部を構成して配置され、
前記試料台内部に配置され内部に冷媒が供給されて分散するとともに蒸発する分散空間と、前記試料載置面と対向して配置された前記分散空間の天井面と、前記分散空間の下方に配置されその上面の複数箇所に前記冷媒が前記前記天井面へ向かって流出する複数の冷媒導入孔を有した円板状部材とを備え、
前記円板状部材がその内部に前記冷媒導入孔と連通して配置され前記冷媒が供給されて拡散する拡散空間を有し、前記分散空間は前記天井面と前記円板状部材の上面との間に挟まれた高さの小さな空間であって前記流出した冷媒が前記天井面に吹き付けられ分散しつつ蒸発する分散空間であり、
この分散空間の外周側に位置して前記円板状部材の外周を囲んで配置され前記分散空間で分散した冷媒が流入する高さの大きなリング状空間とを有し、前記リング状空間の下部でこれに連通して配置され前記冷媒が排出される排出口とを備えたプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記天井面に配置され前記冷媒がその内側に導入される複数の凹み部を備えたプラズマ処理装置。
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、前記冷媒導入孔から供給される前記冷媒が前記凹み部の内部に直接的に導入されるプラズマ処理装置。
請求項２または３に記載のプラズマ処理装置であって、前記複数の凹み部が前記試料台の中心側から外周側に放射状に延びる複数の溝により構成されたプラズマ処理装置。
請求項４に記載のプラズマ処理装置において、前記放射状に延びる溝はその前記試料台外周側の幅が中心側の幅より大きな形状を有し、この溝内に供給された前記冷媒が前記試料台の中心側から外周側に向けて移動するプラズマ処理装置。
前記１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記試料載置面とこの上に載せられた前記試料との間に熱伝達ガスを供給するための供給経路を備えたプラズマ処理装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、前記試料台の内部で熱交換した後に外部に排出された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの前記冷媒を凝縮する凝縮器とを有し、前記試料台を前記凝縮器から排出された冷媒が蒸発する蒸発器として備えた冷凍サイクルを備えたプラズマ処理装置。