JP2005085803A - サセプタ - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒流路内の流下する冷媒における温度差を解消し、その結果、ウェーハ表面を均一に冷却することができるサセプタ乃至はサセプタ冷却システムを提供する。
【解決手段】内部に形成された環状の中空部分が、Ｃ字状の仕切板１６ａ，１６ｂによって仕切られ、これによって、内部に複数の環状路１８ａ〜１８ｃからなる冷媒流路３が形成され、それらの複数の環状路１８ａ〜１８ｃのうち、隣接する二つの環状路を流下する冷媒が、Ｃ字状の仕切板１６ａ，１６ｂを隔てて互いに反対方向へ流れていく（対向流として流れていく）ように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェーハの製造工程（プラズマによるドライエッチング、ビア開孔、クリーニング、ＣＶＤによるビア内面被覆等）、更に、液晶（ＬＣＤ）、Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＥＬ）、太陽電池などの製造工程における発生熱除去技術に関し、特に、載置したウェーハ等の被処理体を均一に冷却することができるサセプタ乃至はサセプタ冷却システムに関する。

半導体ウェーハのエッチング処理（ドライエッチング処理、化学気相成長による皮膜形成、或いは、ウェーハ表面のプラズマクリーニング等）を行う装置において、被処理体であるウェーハを支持するサセプタは、本来の機能として、静電チャック機能と、下部電極としての機能を有している。

更に、サセプタは、上記のような機能のほか、冷却機能をも有していることが必要となり、しかも、単にウェーハを冷却できるというだけでなく、表面温度が均一となるように冷却できることが必要となる。エッチング処理が行われる場合、サセプタの上方に設置されたプラズマ発生源と、サセプタ上面に配置された下部電極との間にプラズマが発生し、サセプタ上に保持されたウェーハ表面にイオン等が激突することによって、ウェーハ表面は加熱されることになるが、製品の歩留まりを向上させるためには、表面温度が均一となるように冷却しなければならないからである。

このため、従来のサセプタにおいては、ウェーハ表面における温度がなるべく均一となるように、冷媒流路の構造について各種の工夫がなされている（例えば、特開平７−２４５２９７号公報、特開２００２−３４３８５４号公報等）。

特開平７−２４５２９７号公報 特開２００２−３４３８５４号公報

しかしながら、従来のサセプタにおいては、サセプタの軸を中心とする周回方向について生じる冷媒の温度差を解消することができず、このため、ウェーハ表面を均一に冷却しようとするうえで、一定の限界があった。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、冷媒流路内の流下する冷媒における温度差を解消し、その結果、ウェーハ表面を均一に冷却することができるサセプタ乃至はサセプタ冷却システムを提供することを目的とする。

本発明に係るサセプタは、内部に形成された環状の中空部分が、Ｃ字状の仕切板によって仕切られ、これによって、内部に複数の環状路からなる冷媒流路が形成され、それらの複数の環状路のうち、隣接する二つの環状路を流下する冷媒が、Ｃ字状の仕切板を隔てて互いに反対方向へ流れていく（対向流として流れていく）ように構成されていることを特徴としている。この場合、仕切板を介して熱交換が行われることになるため、支持軸を中心とする周回方向における冷媒の温度差が解消され、その結果、サセプタ乃至は被処理体（ウェーハ等）の均一な冷却を図ることができる。

尚、Ｃ字状の仕切板は、二枚以上配置され、それらが、サセプタの軸線を中心とする仮想円の同心円上に配置されていることが好ましく、また、複数の環状路には、伝熱面積を増大させるための伝熱フィンがそれぞれ配置されていることが好ましい。

また、本発明に係るサセプタは、冷媒流路に、気液混相の冷凍機冷媒が直接供給されるように構成されていることが好ましい。この場合、冷媒流路内に供給される冷凍機冷媒としては、ＨＦＣ系の冷凍機冷媒、炭化水素冷凍機冷媒、二酸化炭素、或いは、アンモニアを使用することが好ましい。また、冷媒流路内において、冷凍サイクルの蒸発過程である「液相冷媒の蒸発」が行われるように構成し、サセプタを蒸発器として機能するように構成することが好ましい。

サセプタ内部の中空部分をＣ字状の仕切板によって仕切り、これによって複数の環状路からなる冷媒流路を形成し、これら複数の環状路のうち、隣接する二つの環状路を流下する冷媒が、Ｃ字状の仕切板を隔てて互いに反対方向へ流れていく（対向流として流れていく）ように構成した場合、仕切板を介して熱交換が行われることになるため、支持軸を中心とする周回方向における冷媒の温度差が解消され、その結果、サセプタ乃至は被処理体の均一な冷却を図ることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明「サセプタ」を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明「サセプタ２」を適用したサセプタ冷却システム１の第１の実施形態の概略図である。このサセプタ冷却システム１は、サセプタ２と、このサセプタ２内に形成された冷媒流路３と、この冷媒流路３に冷媒を供給する冷媒供給装置４とによって構成されている。尚、このサセプタ冷却システム１は、直接冷却方式を採用しており、冷凍機冷媒（Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等のＨＦＣ系の冷凍機冷媒、ブタンなどの炭化水素冷凍機冷媒、二酸化炭素、或いは、アンモニアなど）が、冷媒供給装置４から冷媒流路３へ直接供給されるようになっている。

サセプタ２の冷媒流路３は、冷媒供給管９、及び、冷媒排出管１０を介して冷媒供給装置４と接続されており、冷媒供給装置４から供給される冷媒は、冷媒供給管９を通って冷媒流路３内に流入し、冷媒流路３内を流下しながら、沸騰伝熱（蒸発熱伝達）によってウェーハ１１の熱を吸収（冷却）し、その後、冷媒流路３から排出されて、冷媒排出管１０を通って再び冷媒供給装置４へと戻り、循環するようになっている。

冷媒供給装置４は、冷凍サイクルを成す基本的要素である圧縮機５、凝縮器６、膨張弁７、及び、ホットガスバイパス８によって構成されている。尚、冷凍サイクルを構成するには、これらの要素のほかに蒸発器が必要となるが、このサセプタ冷却システム１においては、蒸発器は冷媒供給装置４内には設けられておらず、後述するように、サセプタ２が蒸発器として機能するようになっている。

ここで、サセプタ２及び冷媒流路３の構造について詳細に説明する。図２は、図１に示したサセプタ２の水平断面の拡大図であり、図３は、垂直断面の拡大図である。

サセプタ２は、アルミニウム合金などの材料を加工することによって成形されており、図２及び図３に示されているように、円柱状の外観を呈するとともに、内側に環状の中空部分を有している。

尚、このサセプタ２の上面には、図３に示されているように、ウェーハ１１とほぼ同じ大きさに成形された電極シート１３が取り付けられている。この電極シート１３は、ポリイミド樹脂フィルムに銅箔などの導電膜を接着した構造となっており、下部電極として機能するほか、ウェーハ１１を吸着保持する機能（静電チャック機能）を有している。

サセプタ２の中心部には、ガス供給路１４が形成されている。このガス供給路１４を介して、電極シート１３の上方へヘリウムガスが供給され、ウェーハ１１と電極シート１３との間にガス層１５が形成されるようになっており、これにより、電極シート１３とウェーハ１１との間における接触熱抵抗が低減されるようになっている。

サセプタ２の内側に形成されている環状の中空部分は、サセプタ２の軸線を中心とする仮想円上、及び、その同心円上に配置された二枚のＣ字状の仕切板１６（内側仕切板１６ａ、外側仕切板１６ｂ）、及び、半径方向に延出する直状の仕切板１７によって仕切られ、これらにより、サセプタ２の内部には、三つの環状路（内側環状路１８ａ、中間環状路１８ｂ、外側環状路１８ｃ）からなる冷媒流路３が形成されている。

三つの仕切板のうち、直状の仕切板１７は、サセプタ２の中心側内壁１９から外周側内壁２０まで達し、更に、床面から天井面まで密に閉塞するように取り付けられており、内部に導入された冷媒が、この直状の仕切板１７を越えて周回方向へ流下することを阻止できるような構造となっている。

尚、図２において、２７はサセプタ２の支持軸、２１は、図１に示した冷媒供給管９に接続された冷媒流入口、また、２２は、冷媒排出管１０に接続された冷媒排出口である。冷媒流入口２１は、中心側内壁１９と直状の仕切板１７との接続部分に近い位置に開口しており、一方、冷媒排出口２２は、外周側内壁２０と直状の仕切板１７との接続部分に近い位置であって、直状の仕切板１７を挟んで、冷媒流入口２１とは反対側の位置に配置されている。

二枚のＣ字状の仕切板のうち、内側仕切板１６ａは、冷媒流入口２１に近い方の端部２３ａが直状の仕切板１７に接続され、反対側の端部２３ｂは、解放された状態となっている。一方、外側仕切板１６ｂは、冷媒排出口２２に近い方の端部２４ａが直状の仕切板１７に接続され、反対側の端部２４ｂは、解放された状態となっている。

従って、中心側内壁１９と内側仕切板１６ａとの間に形成された内側環状路１８ａと、内側仕切板１６ａと外側仕切板１６ｂとの間に形成された中間環状路１８ｂとは、連絡部２５（内側仕切板１６ａの解放された端部２３ｂと直状の仕切板１７との間に形成されたスペース）において連通し、外側仕切板１６ｂと外周側内壁２０との間に形成された外側環状路１８ｃと、中間環状路１８ｂとは、連絡部２６（外側仕切板１６ｂの解放された端部２４ｂと直状の仕切板１７との間に形成されたスペース）において連通した状態となっている。

尚、図２及び図３に示されているように、冷媒流路３を構成する内側環状路１８ａ、中間環状路１８ｂ、及び、外側環状路１８ｃには、伝熱フィン２８が、各環状路につきそれぞれ二枚ずつ、同心円上に配置されている。これらの伝熱フィン２８は、冷媒との接触面積（伝熱面積）を増加させることによって伝熱効率を向上させるためのものであり、それらの上端はいずれも冷媒流路３の天井面に接し、下端は冷媒流路３の床面に接するように設置されている。

次に、図１、図２、及び、図３を用いて、本発明に係るサセプタ２の作用について説明する。図１に示したサセプタ冷却システム１においては、前述したように、冷媒は、冷媒供給管９（図１参照）を介して、冷媒供給装置４からサセプタ２の冷媒流路３へと供給されるようになっている。

冷媒流路３へ供給された冷媒は、まず冷媒流入口２１（図２参照）より内側環状路１８ａに流入する。冷媒流入口２１の周囲においては、直状の仕切板１７の端部が中心側内壁１９に接続されるとともに、Ｃ字状の内側仕切板１６ａの端部２３ａが直状の仕切板１７に接続されているため、三方が閉塞された状態となっている。従って、内側環状路１８ａに流入した冷媒は、中心側内壁１９と内側仕切板１６ａとの間のスペースを、サセプタ２の支持軸２７を中心とする周回方向（図２において左回り方向）へ進行していくことになる。

そして、サセプタ２の中心側内壁１９の周囲をほぼ一周し、内側仕切板１６ａの端部２３ｂにまで達した冷媒は、直状の仕切板１７によって周回方向への進行を阻まれ、連絡部２５から中間環状路１８ｂに流入する。

中間環状路１８ｂに流入した冷媒は、内側仕切板１６ａの端部２３ｂを転回点として転回（反転）する状態となり、内側仕切板１６ａと外側仕切板１６ｂとの間のスペースを、今度は、逆回り方向（サセプタ２の支持軸２７を中心とする周回方向であって、内側環状路１８ａにおける周回方向とは反対の方向）（図２において右回り方向）へ進行していくことになる。

そこからほぼ一周し、外側仕切板１６ｂの端部２４ｂにまで達した冷媒は、直状の仕切板１７によって再び進行を阻まれ、連絡部２６から外側環状路１８ｃに流入する。

外側環状路１８ｃに流入した冷媒は、外側仕切板１６ｂの端部２４ｂを転回点として再び反転し、外側仕切板１６ｂと外周側内壁２０との間のスペースを、再び逆回り方向（サセプタ２の支持軸２７を中心とする周回方向であって、中間環状路１８ｂにおける周回方向とは反対の方向）（図２において左回り方向）へ進行していくことになる。

そこからほぼ一周した冷媒は、直状の仕切板１７によって再び進行を阻まれ、直状仕切板１７と外側仕切板１６ｂの端部２４ａとの接続部付近に開口する冷媒排出口２２から排出され、冷媒排出管１０（図１参照）を介して、冷媒供給装置４へと戻されることになる。

このように、本実施形態においては、冷媒流路３内に導入された冷媒は、内側環状路１８ａ、中間環状路１８ｂ、及び、外側環状路１８ｃを順次流下して冷媒流路３から排出されることになる。そして、内側環状路１８ａから中間環状路１８ｂに流入した冷媒は、内側環状路１８ａにおける周回方向とは逆回り方向へ進行し、また、中間環状路１８ｂから外側環状路１８ｃに流入した冷媒は、更に逆回り方向へ進行していくようになっている。

つまり、内側環状路１８ａを流下する冷媒と、これに隣接する中間環状路１８ｂを流下する冷媒とは、薄い内側仕切板１６ａ（厚さ１ｍｍ程度）を隔てて反対方向に流れていく（対向流として流れていく）ことになり、同様に、中間環状路１８ｂを流下する冷媒と、これに隣接する外側環状路１８ｃを流下する冷媒とは、薄い外側仕切板１６ｂ（厚さ１ｍｍ程度）を隔てて対向流として流れていくこととなる。このように「対向流」として流下する冷媒の間では、内側仕切板１６ａ及び外側仕切板１６ｂを介して熱交換が行われることになるため、支持軸２７を中心とする周回方向における冷媒の温度差が解消され、その結果、サセプタ２乃至はウェーハ１１の均一な冷却を図ることができる。

また、サセプタ２内に導入された冷媒が、このようにして冷媒流路３内を流下していく際、ウェーハ１１（図３参照）表面の入熱が、ガス層１５、電極シート１３、及び、サセプタ２の上部を経て、伝熱面（サセプタ２の天井面、内側仕切板１６ａ、外側仕切板１６ｂ、伝熱フィン２８、及び、サセプタ２の床面）から冷媒に伝わっていくことになる。

このとき、気液混相状態の冷媒のうち、液相の冷媒は、伝熱量に応じて沸騰、蒸発することになり、ウェーハ１１から伝導された熱を潜熱として吸収することになる。そして、当初は気液混相状態にて冷媒流路３内に導入された冷媒は、冷媒流路３内を流下する間に液相冷媒がすべて蒸発し、最終的には、気相状態にて冷媒排出口２２から排出される。

このように、冷媒流路３内においては、冷凍サイクルの蒸発過程である「液相冷媒の蒸発」が行われる。つまり、このサセプタ冷却システム１においては、サセプタ２は、蒸発器として機能することになる。従って、沸騰伝熱を利用してサセプタ２乃至はウェーハ１１を直接冷却することができるので、二段冷却方式による従来のサセプタ冷却システムと比べ、冷却効率を飛躍的に向上させることができる。

尚、本実施形態においては、上述したようにサセプタ２が「蒸発器」を兼ねているため、「独立した装置としての蒸発器」は、このサセプタ冷却システム１には含まれていない。但し、サセプタ２における冷却温度の均一性を優先させるため、「独立した装置としての蒸発器」（サセプタ２を「第１の蒸発器」と考えた場合においては「第２の蒸発器」）を、このサセプタ冷却システム１に付加することもできる。

このような第２の蒸発器を別個に設けた場合、サセプタ２内の気相冷媒が過熱されることにより、サセプタ２の温度が部分的に上昇して、冷却温度の均一性が損なわれる、という問題を回避することができる。

より具体的に説明すると、気液混相状態で導入した冷媒を冷媒流路３内において完全に気化させると、その完全気化の時点からサセプタ２外へ排出されるまでの間においては、冷媒（気相状態）は、ウェーハ１１からの伝熱を潜熱として吸収することができず、伝熱量に応じて過熱されることになり、サセプタ２の温度がその部分だけ上昇してしまう可能性がある。

このような問題を回避するためには、冷媒排出口２２の直前で冷媒が完全に気化するように、気相冷媒と液相冷媒の割合を調節して冷媒流路３へ冷媒を導入することが必要となるが、正確なコントロールが要求されるほか、負荷の大きさ等、様々なコンディションの変化に左右されてしまう可能性があるため、そのような微妙な調節を行うことは極めて困難である。

一方、第２の蒸発器を別個に用意し、サセプタ２の下流側に設けた場合には、冷媒流路３内で冷媒を完全気化させるのではなく、冷媒流路３から排出させた後に、冷媒を完全気化させることができる。つまり、冷媒中に液相冷媒が僅かに残存した状態で、冷媒が冷媒流路３から排出されるように、気相冷媒と液相冷媒の導入割合を調節することができ（この場合、ある程度の変動を許容することができるので、調節に際して、正確なコントロールは要求されない。）、その結果、上記のような問題を好適に回避し、サセプタ２における冷却温度の均一化を図ることができる。

また、冷媒供給装置４から供給される際、冷媒は、膨張弁７（図１参照）を通過することによって、減圧処理（絞り膨張）され、湿り気を帯びた蒸気の状態で冷媒流路３内に導入される。また、場合によっては、この冷凍機冷媒は、膨張弁７の通過後において、ホットガスバイパス８を介して送出された冷媒ホットガス（圧縮機５によって圧縮された高温・高圧ガス）が混入されたうえで冷媒流路３内に導入される。

このように、本実施形態においては、冷凍機冷媒が湿り気を帯びた蒸気の状態で、或いは、冷媒ホットガスが混入された状態で冷媒流路内に導入されるようになっており、これにより、冷凍機冷媒を、「環状流」という流動形態で流下するような気液混相状態に調整することができ、好ましくない流動形態（「チャーン流」や「スラグ流」といった、冷媒流路に振動を生じさせるような流動形態）にて冷媒が流下することを好適に回避することができる。

次に、本発明「サセプタ２」について、本発明の発明者らが行った実験の結果を説明する。

まず、冷媒流路３の構造を工夫することによって、冷媒の温度差を解消し、サセプタ２乃至はウェーハ表面を均一に冷却することができるかどうか、という点について、実験による検証を試みた。

この実験は、本発明の実施例として、内側に形成されている中空部分が、一枚又は二枚のＣ字状の仕切板１６（１６ａ，１６ｂ）によって仕切られることにより、二つ乃至は三つの環状路からなる冷媒流路３が形成されたサセプタ２を有するサセプタ冷却システムのモデルを２機種（タイプＡ、タイプＢ）用意し、更に、比較例として、内側に形成されている中空部分が、一枚のＣ字状の仕切板１６によって仕切られることにより、二つの環状路からなる冷媒流路３が形成されたサセプタ２を有するモデルを１機種（タイプＸ）用意し、これらのサセプタ２内の冷媒流路３へ、気液混相の冷媒（冷凍機冷媒）をそれぞれ供給することによって行った。

これらのうち、タイプＡ（本発明）のサセプタ２は、図４に示されているように、中空部分が一枚のＣ字状の仕切板１６によって仕切られ、二つの環状路（内側環状路１８ａ、外側環状路１８ｃ）を有し、内側環状路１８ａにおける冷媒と、外側環状路１８ｃにおける冷媒とが、互いに逆回り方向へ流下するように構成されている。

また、タイプＢ（本発明）のサセプタ２は、図２に示されているように、中空部分が二枚のＣ字状の仕切板（内側仕切板１６ａ、外側仕切板１６ｂ）によって仕切られ、三つの環状路（内側環状路１８ａ、中間環状路１８ｂ、外側環状路１８ｃ）を有し、隣接する環状路における冷媒が、互いに逆回り方向へ流下するように構成されている。

一方、タイプＸ（比較例）のサセプタ２は、図５に示されているように、中空部分が一枚のＣ字状の仕切板１６によって仕切られ、二つの環状路（内側環状路１８ａ、外側環状路１８ｃ）を有し、内側環状路１８ａにおける冷媒と、外側環状路１８ｃにおける冷媒とが、同一周回方向へ流下するように構成されている。

尚、これらのモデル（タイプＸ、Ａ、Ｂ）の具体的な仕様及び実験条件は、次表の通りである。

上記のような仕様の各モデル（タイプＡ、タイプＢ、及び、タイプＸ）のサセプタ２の冷媒流路３内に、気液混相の冷媒（冷凍機冷媒）をそれぞれ供給し、ウェーハ表面の温度を複数箇所において測定するとともに、周方向において生じた温度差の最大値を計算した。それらの結果を次表に示す。

表２に示すように、比較例として用意したタイプＸのサセプタ２に気液混相冷媒（冷凍機冷媒）を供給した場合、最大で０．８９℃の温度差が生じた。これに対し、内側環状路１８ａにおける冷媒と、外側環状路１８ｃにおける冷媒とが、逆回り方向へ流下するように構成されているタイプＡのサセプタ２においては、同一周回方向へ流下するように構成されているタイプＸ（比較例）のサセプタ２に対し、ウェーハ表面において生じる温度差を約３０％減少させることができた。

更に、二枚のＣ字状の仕切板（内側仕切板１６ａ、外側仕切板１６ｂ）によって、三つの環状路（内側環状路１８ａ、中間環状路１８ｂ、外側環状路１８ｃ）に仕切られてなる冷媒流路３を有するタイプＢのサセプタ２においては、タイプＸ（比較例）のサセプタ２に対し、温度差を約６５％減少させることができた。

これらの結果から、冷媒が常に同一周回方向へ流下するように構成された冷媒流路３よりも、流下中の冷媒が、途中で反転し、逆回り方向へ流下するように構成された冷媒流路３の方が、ウェーハ表面における温度差を小さくできることが確認された。

更に、二枚のＣ字状の仕切板によって、三つの環状路に仕切るように構成した冷媒流路３の方が、一枚のＣ字状の仕切板によって、二つの環状路に仕切るように構成した冷媒流路３よりも、ウェーハ表面における温度差を小さくできることが確認された。このように、冷媒流路３の構造を工夫することによって、冷媒の温度差を小さくすることができ、その結果、サセプタ２乃至はウェーハ表面を均一に冷却することができる、ということが確認された。

本発明「サセプタ２」を適用したサセプタ冷却システム１の第１の実施形態の概略図。 図１に示したサセプタ２の水平断面の拡大図。 図１に示したサセプタ２の垂直断面の拡大図。 本発明の実施例１において使用されたタイプＡのサセプタ２の水平断面の拡大図。 比較例として使用されたタイプＸのサセプタ２の水平断面の拡大図。

符号の説明

１：サセプタ冷却システム、
２：サセプタ、
３：冷媒流路、
４：冷媒供給装置、
５：圧縮機、
６：凝縮器、
７：膨張弁、
８：ホットガスバイパス、
９：冷媒供給管、
１０：冷媒排出管、
１１：ウェーハ、
１２：エッチング装置の処理室、
１３：電極シート、
１４：ガス供給路、
１５：ガス層、
１６：仕切板、
１６ａ：内側仕切板、
１６ｂ：外側仕切板、
１７：直状の仕切板、
１８ａ：内側環状路、
１８ｂ：中間環状路、
１８ｃ：外側環状路、
１９：中心側内壁、
２０：外周側内壁、
２１：冷媒流入口、
２２：冷媒排出口、
２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ：仕切板の端部、
２５，２６：連絡部、
２７：支持軸、
２８：伝熱フィン、

Claims (3)

1. 内部に形成された環状の中空部分が、Ｃ字状の仕切板によって仕切られ、これによって、内部に複数の環状路からなる冷媒流路が形成され、
   前記複数の環状路のうち、隣接する二つの環状路を流下する冷媒が、前記Ｃ字状の仕切板を隔てて互いに反対方向へ流れていくように構成されていることを特徴とするサセプタ。
2. 二枚以上のＣ字状の仕切板が、サセプタの軸線を中心とする仮想円の同心円上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のサセプタ。
3. 前記複数の環状路には、伝熱面積を増大させるための伝熱フィンが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のサセプタ。

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