基板載置システム、基板処理装置、静電チャック及び基板冷却方法
【課題】大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができる基板載置システムを提供する。
【解決手段】基板処理装置１０の基板冷却システムにおいて、サセプタ１２は基板Ｇを載置し、静電チャック１４はサセプタ１２の上部に設けられて基板Ｇを静電吸着し、ガス流路１８及び温度調整ガス供給装置１９は静電吸着された基板Ｇ及び静電チャック１４の間の伝熱空間Ｔに温度調整ガスを供給し、伝熱空間Ｔの厚さが５０μｍ以下に設定され、ガス流路１８及び温度調整ガス供給装置１９は、温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）以下で伝熱空間Ｔに供給する。
【解決手段】基板処理装置１０の基板冷却システムにおいて、サセプタ１２は基板Ｇを載置し、静電チャック１４はサセプタ１２の上部に設けられて基板Ｇを静電吸着し、ガス流路１８及び温度調整ガス供給装置１９は静電吸着された基板Ｇ及び静電チャック１４の間の伝熱空間Ｔに温度調整ガスを供給し、伝熱空間Ｔの厚さが５０μｍ以下に設定され、ガス流路１８及び温度調整ガス供給装置１９は、温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）以下で伝熱空間Ｔに供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板載置台に載置される比較的大型の基板を冷却する基板載置システム、基板処理装置、静電チャック及び基板冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置（ＬＣＤ）をはじめとする比較的大型のＦＰＤ（Flat Panel Display）、例えば、第７世代以降のＦＰＤの製造工程において、ＦＰＤ用の基板に対して所定の処理、例えば、プラズマ処理を施す基板処理装置が知られている。
【０００３】
この基板処理装置は、処理室（以下、「チャンバ」という。）内で基板を載置する基板載置台と、該基板載置台と処理空間を隔てて対向するように配置された上部電極とを有する。基板載置台にはプラズマ生成用の高周波電力（ＲＦ）が供給されて該基板載置台が下部電極として機能し、チャンバ内の処理空間に導入された処理ガスから高周波電力によってプラズマが生成される。生成されたプラズマは基板載置台に載置される基板に対して所定のプラズマ処理を施す。また、基板載置台の上部には静電チャックが設けられ、基板に所定のプラズマ処理が施される間、静電チャックは基板に静電吸着力を作用させて吸着する。
【０００４】
所定のプラズマ処理が施された基板は、プラズマ中の陽イオンの衝突等によって受熱して温度が上昇するため、基板と基板載置台の間に温度調整ガスを流し、該温度調整ガスによって基板の熱を基板載置台へ伝えることにより、基板の温度を所定の温度に維持する。
【０００５】
このような温度調整ガスを基板の裏面冷却（Back Cooling）ガス（以下、単に「ＢＣガス」という。）と言うが、通常、ＢＣガスとしては不活性ガスであって熱伝導率の高いヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２４５５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＦＰＤ用の基板はガラスからなり、体積固有抵抗値が大きいため、当該基板に作用する静電吸着力はジョンソンラーベック力ではなくクーロン力となる。通常、クーロン力はジョンソンラーベック力よりも弱いため、基板を基板載置台（静電チャック）へ向けて強く吸着できず、基板と基板載置台の間のＨｅガスの圧力を高めることができない。したがって、ＦＰＤ用の基板にプラズマ処理を施す基板処理装置では、基板と基板載置台の間のＨｅガスの圧力が約３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）以下に設定される。
【０００８】
Ｈｅガスの圧力が約３Ｔｏｒｒ以下に設定されると、Ｈｅガスの流れ状態が粘性流領域から分子流領域へ移行してＨｅガスの熱流束が大幅に低下する。また、一般にＨｅガスは高価であるため、ＦＰＤ用の基板にプラズマ処理を施す基板処理装置において温度調整ガスとしてＨｅガスを用いると、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができない。
【０００９】
本発明の目的は、大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができる基板載置システム、基板処理装置、静電チャック及び基板冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の基板冷却システムは、基板を載置する基板載置台と、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを備える基板冷却システムにおいて、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の基板冷却システムは、請求項１記載の基板冷却システムにおいて、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の基板冷却システムは、請求項１又は２記載の基板冷却システムにおいて、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の基板冷却システムは、請求項１又は２記載の基板冷却システムにおいて、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５記載の基板処理装置は、基板を収容する収容室と、該収容室内に配置されて前記基板を載置する基板載置台とを備え、前記基板載置台は、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを有する基板処理装置において、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の基板処理装置は、請求項５記載の基板処理装置において、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載の基板処理装置は、請求項５又は６記載の基板処理装置において、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載の基板処理装置は、請求項５又は６記載の基板処理装置において、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項９記載の静電チャックは、基板を載置する基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックであって、前記静電吸着された基板との間に伝熱空間を形成し、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に温度調整ガスとして供給されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１０記載の静電チャックは、請求項９記載の静電チャックにおいて、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１記載の静電チャックは、請求項９又は１０記載の静電チャックにおいて、前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする。
【００２１】
請求項１２記載の静電チャックは、請求項９又は１０記載の静電チャックにおいて、前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項１３記載の基板冷却方法は、基板載置台に載置された基板を冷却する基板冷却方法であって、前記基板載置台における前記基板が載置される面に設けられた静電チャックが前記基板を静電吸着する基板吸着ステップと、該静電吸着ステップが実行される間、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給ステップとを有し、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、前記ガス供給ステップでは、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４記載の基板冷却方法は、請求項１３記載の基板冷却方法において、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、静電吸着された基板及び静電チャックの間の伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、温度調整ガスが３Ｔｏｒｒ以下で伝熱空間に供給されて温度調整ガスの状態は分子流領域へ移行するが、温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスが供給される。窒素ガス及び酸素ガスの分子流領域における熱流束は、ヘリウムガスの分子流領域における熱流束よりも大きい。したがって、窒素ガス及び酸素ガスは静電吸着された基板の熱をヘリウムガスよりも静電チャック（ひいては基板載置台）へ効率よく伝えることができる。また、窒素ガス及び酸素ガスはヘリウムガスよりも安価である。その結果、大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る基板載置システムが適用される基板処理装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１における静電チャックの吸着面において開口するガス流路近傍の構成を示す拡大断面図である。
【図３】図１における静電チャックの吸着面の変形例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態に係る基板載置システムが適用される基板処理装置の構成を概略的に示す断面図である。この基板処理装置は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）製造用のガラス基板に所定のプラズマ処理を施す。
【００２８】
図１において、基板処理装置１０は、例えば１辺が数ｍの矩形のガラス基板（以下、単に「基板」という。）Ｇを収容する処理室（チャンバ）１１を有する。チャンバ１１の内部の図中下方には基板Ｇを載置する基板載置台（サセプタ）１２が配置されている。サセプタ１２は、例えば、表面がアルマイト処理されたアルミニウムやステンレス等からなる断面凸型の基材１３と、該基材１３の上部に配された静電チャック１４とを有する。静電チャック１４は基材１３の上部をセラミックス溶射で覆うことによって形成されており、上記セラミック溶射で形成された誘電体層の内部において上部誘電体層と下部誘電体層の間に挟まれた静電電極板１５を有する。
【００２９】
静電チャック１４の内部の静電電極板１５には直流電源１７が接続されており、静電電極板１５に正の直流電圧が印加されると、静電電極板１５によって生じた電界に起因して静電チャック１４に載置された基板Ｇが分極する際に該基板Ｇに発生する電荷を中和するために、基板Ｇの表面に負電位が発生し、異なる極性の電位の間（基板Ｇの裏面及び静電電極板１５の間）に生じるクーロン力により、基板Ｇが静電チャック１４に静電吸着される。以下、本実施の形態では、静電チャック１４における静電吸着された基板Ｇが対向する面を吸着面１４ａという。
【００３０】
基材１３の下部には、基材１３及び静電チャック１４に載置された基板Ｇの温度を調節するための冷媒流路（図示しない）が内部に設けられている冷却板３６が配置される。この冷媒流路には、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）等の冷媒が循環供給され、該冷媒によってサセプタ１２が冷却される。
【００３１】
また、基材１３の内部には温度調整ガスが流れるガス流路１８が設けられ、該ガス流路１８はチャンバ１１の外に設けられている温度調整ガス供給装置１９に接続される一方、静電チャック１４を貫通して吸着面１４ａの複数箇所で開口する。温度調整ガス供給装置１９が供給する温度調整ガスはガス流路１８（ガス供給系）を介して静電吸着された基板Ｇ及び静電チャック１４の間の伝熱空間Ｔ（下記図２参照。）へ供給される。伝熱空間Ｔへ供給された温度調整ガスは、所定のプラズマ処理が施されて温度が上昇している基板Ｇの熱を冷却されているサセプタ１２へ伝えることにより、基板Ｇの温度を所定の温度に維持する。
【００３２】
図２は、図１における吸着面において開口するガス流路近傍の構成を示す拡大断面図である。
【００３３】
図２において、静電チャック１４の吸着面１４ａには複数の凸部が設けられる。具体的には、吸着面１４ａに複数の円柱状の突起部１４ｂが設けられ、基板Ｇが静電吸着される際、各突起部１４ｂは基板Ｇの裏面と当接する。各ガス流路１８は各突起部１４ｂの間に存在する非突起面１４ｄにおいて開口する。本実施の形態では、基板Ｇの裏面及び非突起面１４ｄの間の空間を伝熱空間Ｔという。ガス流路１８の開口部１８ａから流れ出た温度調整ガスは伝熱空間Ｔを伝って拡散し、やがて基板Ｇの裏面全体と接触する。伝熱空間Ｔの図中上下方向に関する厚さｔは、後述する理由により、５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下に設定される。
【００３４】
図１に戻り、基材１３には、静電チャック１４の周囲を囲むようにリング状シールド部材としてのシールドリング１６が設けられており、シールドリング１６は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックスで構成された複数の長尺体を組み合わせて構成される。
【００３５】
基材１３の側面には、該側面を覆うようにサイドリング状シールド部材としての絶縁リング３４が配置されている。絶縁リング３４は絶縁性のセラミックス、例えばアルミナで構成されている。また、基材１３の下方では、絶縁体３５が冷却板３６とチャンバ１１の底面との間に介在するように配置されている。
【００３６】
サセプタ１２の基材１３には、高周波電力を供給するための高周波電源２０が整合器２１を介して接続されている。高周波電源２０からは高周波電力が基材１３へ供給されてサセプタ１２は下部電極として機能する。整合器２１は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への供給効率を最大にする。
【００３７】
基板処理装置１０では、チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって側方排気路２２が形成される。この側方排気路２２は排気管２３を介して排気装置２４に接続されている。排気装置２４としてのＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）、ＤＰ（Dry Pump）やＭＢＰ（Mechanical Booster Pump）はチャンバ１１内を真空引きして減圧する。具体的には、ＤＰ若しくはＭＢＰはチャンバ１１内を大気圧から中真空状態（例えば、１．３×１０Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧し、ＴＭＰはＤＰ又はＭＢＰと協働してチャンバ１１内を中真空状態より低い圧力である高真空状態（例えば、１．３×１０−３Ｐａ（１．０×１０−５Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力はＡＰＣバルブ（図示しない）によって制御される。
【００３８】
チャンバ１１の天井部分には、サセプタ１２と対向するようにシャワーヘッド２５が配置されている。シャワーヘッド２５は内部空間２６を有するとともに、サセプタ１２との間の処理空間Ｓに処理ガスを吐出する複数のガス孔２７を有する。シャワーヘッド２５は接地されており、下部電極として機能するサセプタ１２と共に一対の平行平板電極を構成する。
【００３９】
また、シャワーヘッド２５は、ガス供給管２８を介して処理ガス供給装置２９に接続されている。ガス供給管２８には、開閉バルブ３０及びマスフローコントローラ３１が設けられている。また、チャンバ１１の側壁には基板搬出入口３２が設けられており、この基板搬出入口３２はゲートバルブ３３によって開閉自在に構成され、該ゲートバルブ３３を介して基板Ｇが搬出入される。
【００４０】
基板処理装置１０では、処理ガス供給装置２９からガス供給管２８を介して処理ガスが供給される。供給された処理ガスは、シャワーヘッド２５の内部空間２６及びガス孔２７を介してチャンバ１１の処理空間Ｓへ導入され、該導入された処理ガスは、高周波電源２０からサセプタ１２を介して処理空間Ｓへ供給されるプラズマ生成用の高周波電力によって励起されてプラズマとなる。プラズマ中の陽イオンは、基板Ｇに向かって引きこまれ、基板Ｇに対して所定のプラズマ処理を施す。
【００４１】
基板処理装置１０の各構成部品の動作は、基板処理装置１０が備える制御部（図示しない）のＣＰＵが所定のプラズマ処理に対応するプログラムに応じて制御する。
【００４２】
なお、基板処理装置１０では、サセプタ１２、静電チャック１４及びガス流路１８が基板処理システムを構成する。
【００４３】
ところで、基板Ｇであるガラス基板は体積固有抵抗値が大きいため、基板Ｇに作用する静電吸着力はジョンソンラーベック力ではなくクーロン力となる。通常、クーロン力はジョンソンラーベック力よりも弱いため、基板Ｇを強く静電吸着できない。その結果、基板Ｇの静電チャック１４からの浮き上がりを防止するために、図１の基板処理装置１０では、伝熱空間Ｔに供給される温度調整ガスの圧力が比較的低く、具体的には、約３Ｔｏｒｒ以下に設定される。
【００４４】
例えば、温度調整ガスとしてＨｅガスを用い、該Ｈｅガスの供給圧力を３Ｔｏｒｒとした場合、圧力によって変化する平均自由行程λは、ヘリウム分子において６．０８×１０−５ｍとなり、伝熱空間Ｔの厚さｔを５０μｍとすると、Ｈｅガスの流れ状態の指標である、下記式（１）で示されるクヌーセン数Ｋは１．２１６となる。なお、下記式（１）のｄは伝熱空間Ｔの厚さｔである。
Ｋ ＝ λ ／ ｄ … （１）
一般に、クヌーセン数Ｋが０．０１よりも小さければ、ガスの流れ状態は粘性流領域にあり、クヌーセン数Ｋが０．３よりも大きければ、ガスの流れ状態は分子流領域、クヌーセン数Ｋが０．０１〜０．３の領域では、ガスの流れ状態が中間流領域にあると考えられる。したがって、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合、Ｈｅガスの流れ状態は分子流領域にあると考えられる。なお、上記クヌーセン数の境界値を境に明確にガスの流れ状態が分かれることはなく、ガスの流れ状態は上記境界値の近傍で粘性流領域、中間流領域、分子流領域と連続的に変化していく。したがって、ガスの流れ状態はクヌーセン数が０．３を超えると全てのガス分子が一様に同じ分子流領域にあると言う訳ではなく、クヌーセン数が大きくなるにつれ、より分子流領域としての性質が強くなっていくと言うものである。
【００４５】
また、Ｈｅガス以外の不活性ガス、例えば、酸素（Ｏ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス及びクリプトン（Ｋｒ）ガスの供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合における各ガス分子の平均自由行程は下記表１に示す通りである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
上記式（１）に基づいて求められる伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍの場合における各ガスのクヌーセン数Ｋは下記表２に示すとおりであり、０．３よりも大きいか、ほぼ０．３近傍である。したがって、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合、Ｏ２ガス、Ｎ２ガス、Ｘｅガス及びＫｒガスのいずれも流れ状態は分子流領域の性質が強い状態にあると考えられる。
【００４８】
【表２】
【００４９】
ガスの流れ状態が粘性流領域から分子流領域へ移行するにつれて基板Ｇから静電チャック１４への当該ガスによって伝えられる熱の移動量である熱流束が低下するが、分子流領域においてはガスの熱流束ｑは下記式（２）で示される。
ｑ ＝ αΛｐ（Ｔ−Ｔｏ） … （２）
ここで、αは熱的適応係数、Λは自由分子熱伝達率、ｐはガスの供給圧力、Ｔは表面温度（本実施の形態では吸着面１４ａの温度である。）、Ｔｏはガス分子温度（本実施の形態では基板Ｇによって加熱された温度調整ガスの温度である。）を示し、特に、自由分子熱伝達率Λは下記式（３）で示される。
Λ ＝ （γ＋１）／２（γ−１）×（ｋ／２πｍＴ’）１／２ … （３）
ここで、γは比熱比、ｋは気体定数、ｍは分子量、Ｔ’＝（Ｔ＋Ｔｏ）／２である。
【００５０】
熱的適応係数αは各ガスの熱交換効率の指標であり、ガス分子及び該ガス分子が衝突する物体表面（本実施の形態では吸着面１４ａである。）の状態によって異なり、実験を通じて得られるが、具体的には下記表３に示す通りである（裳華房、物理学選書（１１）「真空の物理と応用」、熊谷寛夫、富永五郎、辻泰、堀越源一共著より抜粋した。）。
【００５１】
【表３】
【００５２】
また、表面温度Ｔは２０℃、ガス分子温度Ｔｏは６０℃、ガスの供給圧力ｐは３Ｔｏｒｒとすると、各ガスの比熱比γ、分子量ｍは下記表４に示す通りである。なお、気体定数ｋはガス種に依存せず一定値であり、その値は８．３１[Ｊ／ｋ・ｍｏｌ]である。
【００５３】
【表４】
【００５４】
以上より、上記式（２）及び（３）基づいて求められる伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合の各ガスの熱流束Ｗ／ｍ２は下記表５に示すとおりである。
【００５５】
【表５】
【００５６】
なお、伝熱空間Ｔの厚さｔが１０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合における各ガスのクヌーセン数Ｋは下記表６に示すとおりであり、全てのガスの流れ状態が分子流領域にあると考えられるが、上記式（２）及び（３）に示すように、ガスの熱流束ｑやガスの自由分子熱伝達率Λを求める際に、伝熱空間Ｔの厚さｔが変数として用いられないため、供給圧力が３Ｔｏｒｒであって、各ガスの流れ状態が分子流領域にあれば、各ガスの熱流束は上記表５に示す熱流束と同じである。
【００５７】
【表６】
【００５８】
上記表５に示すように、分子流領域におけるＮ２ガス及びＯ２ガスの熱流束は、分子流領域におけるＨｅガス、Ｘｅガス及びＫｒガスの熱流束よりも大きい。供給圧力がより小さくなれば、一般にガス分子の平均自由行程λは大きくなってクヌーセン数Ｋも大きくなるので、ガスの流れ状態は分子流領域に移行しやすくなる。また、伝熱空間Ｔの厚さｔが小さくなれば、クヌーセン数Ｋが大きくなるので、ガスの流れ状態は分子流領域に移行しやすくなる。
【００５９】
したがって、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下であって、供給圧力が３Ｔｏｒｒ以下であれば、Ｎ２ガス及びＯ２ガスの熱流束は、Ｈｅガス、Ｘｅガス及びＫｒガスの熱流束よりも大きいと言える。本発明は上記知見に基づくものである。
【００６０】
図１の基板処理装置１０において、基板Ｇに所定のプラズマ処理、例えば、プラズマエッチング処理を基板Ｇに施す場合、まず、チャンバ１１内を高真空状態まで減圧し、基板Ｇをサセプタ１２の静電チャック１４へ載置するとともに、シャワーヘッド２５からチャンバ１１の処理空間Ｓへ処理ガスを供給し、ＡＰＣバルブにて処理空間Ｓの圧力を所定の圧力へ制御し、且つ静電吸着させる（基板吸着ステップ）。このとき、伝熱空間Ｔへガス流路１８から温度調整ガスとしてＮ２ガス又はＯ２ガスを３Ｔｏｒｒ以下で供給する（ガス供給ステップ）。伝熱空間Ｔの厚さｔは各突起部１４ｂによって５０μｍ以下に設定される。
【００６１】
次いで、高周波電源２０からサセプタ１２を介して処理空間Ｓへ高周波電力を供給する。これにより、処理ガスからプラズマが生成され、該プラズマ中の陽イオンやラジカルによって基板Ｇに所望のプラズマエッチング処理が施される。プラズマエッチング処理が施される間、伝熱空間Ｔに供給されたＮ２ガス又はＯ２ガスによって基板Ｇの熱がサセプタ１２へ伝えられ、これにより、基板Ｇの温度が所定の温度以下に維持される。
【００６２】
次いで、プラズマエッチング処理が終了した後、伝熱空間ＴへのＮ２ガス又はＯ２ガスの供給を停止し、且つ静電チャック１４による基板Ｇの静電吸着を停止して本処理を終了する。
【００６３】
本実施の形態に係る基板処理装置によれば、静電吸着された基板Ｇ及び静電チャック１４の間の伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下に設定され、温度調整ガスが３Ｔｏｒｒ以下で伝熱空間Ｔに供給されて温度調整ガスの状態は分子流領域へ移行するが、温度調整ガスとしてＮ２ガス又はＯ２ガスが供給される。伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下であって、供給圧力が３Ｔｏｒｒ以下であれば、Ｎ２ガス又はＯ２ガスの熱流束は、Ｈｅガスの熱流束よりも大きい。したがって、Ｎ２ガス又はＯ２ガスは静電吸着された基板Ｇの熱を静電チャック１４（ひいてはサセプタ１２）へＨｅガスよりも効率よく伝えることができる。また、Ｎ２ガス及びＯ２ガスはＨｅガスよりも安価である。その結果、大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板Ｇの冷却効果を得ることができる。
【００６４】
また、基板処理装置１０では、静電チャック１４における吸着面１４ａには複数の突起部１４ｂが設けられるので、Ｎ２ガス又はＯ２ガスが各突起部１４ｂの間に存在する伝熱空間Ｔを伝わって吸着面１４ａの全面に容易に拡散する。その結果、基板Ｇの全面を確実に均一に冷却することができる。
【００６５】
上述した基板処理装置１０では、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下に設定されるが、好ましくは厚さｔが１０μｍ以下に設定されるのがよい。伝熱空間Ｔの厚さｔが１０μｍの場合の基板Ｇに作用するクーロン力は、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍの場合のクーロン力の約１．５倍となるため、静電チャック１４による基板Ｇの吸着力を高めることができ、もって、伝熱空間Ｔへ供給されるＮ２ガス又はＯ２ガスの圧力によって基板Ｇが部分的に浮き上がって反るのを防止することができる。その結果、伝熱空間Ｔの厚みを基板Ｇの全面に亘って均一に保つことができる。伝熱空間Ｔへ供給するガスがＨｅガスの場合であっても厚さｔを１０μｍ以下にすれば同様の吸着力を得ることはできるが、表２と表６から分かるように、厚さｔが１０μｍにおけるＨｅガスのクヌーセン数は他のガスのクヌーセン数よりも大きくなってＨｅガスでは分子流領域の性質がより顕著に強くなるため、伝熱効果が悪くなる性質もより顕著に現われることが予想される。したがって、Ｈｅガスの場合には、例え、静電チャック１４による基板Ｇの吸着力が向上したとしても、基板Ｇの温度調整という観点からは好ましいとは言えない。
【００６６】
なお、伝熱空間Ｔの厚さｔは、本発明の本質に鑑みた場合、０よりも大きな数値であればよいが、現実的な装置の加工技術上の制約が存在するため、所定の数値以上にならざるを得ない。
【００６７】
また、上述した基板処理装置１０では、温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを用いる場合について説明したが、微量でも漏洩した温度調整ガスが基板Ｇの処理に影響を与える懸念がある場合には、基板Ｇの処理に対してより影響の低い窒素ガスを温度調整ガスとして用いることが好ましい。
【００６８】
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６９】
上述した基板処理装置１０における静電チャック１４の吸着面１４ａには複数の凸部が設けられたが、図３に示すように、静電チャック１４の吸着面１４ａを平滑に形成してもよい。この場合、吸着面１４ａ及び基板Ｇの裏面の間の一部にスペーサー（例えば、厚さが５０μｍ以下のスペーサー）等を介在させて吸着面１４ａ及び基板Ｇの裏面の間に厚さｔの伝熱空間Ｔを形成する必要があるが、静電チャック１４の形成を容易に行うことができ、もって、静電チャック１４の製造コストを抑制することができる。
【００７０】
また、上述した基板処理装置１０は基板Ｇへ所定のプラズマ処理を施すが、本発明を適用可能な装置はプラズマ処理装置に限られず、例えば、基板Ｇへ熱処理等の他の処理を施す装置であっても、基板Ｇを静電吸着し且つ冷却する装置であれば、本発明を適用することができる。
【実施例】
【００７１】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００７２】
まず、実施例１として、吸着面１４ａに複数の突起部１４ｂを有する基板処理装置１０において温度調整ガスとしてＮ２ガスを用い、伝熱空間Ｔの厚さｔを５０μｍ、伝熱空間ＴへのＮ２ガスの供給圧力を２Ｔｏｒｒ（２６７Ｐａ）に設定し、処理ガスとしてＯ２ガスを処理空間Ｓへ導入し、処理空間Ｓの圧力を５０ｍＴｏｒｒ（６．７Ｐａ）に調整し、高周波電源２０から４５００Ｗの高周波電力を処理空間Ｓへ１２０秒に亘って供給して基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、下記表７に示した。
【００７３】
また、実施例２として、伝熱空間ＴへのＮ２ガスの供給圧力を３Ｔｏｒｒに設定した以外は、実施例１と同じ条件で基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、さらに、伝熱空間Ｔから処理空間ＳへのＮ２ガスの漏れ量も計測して下記表７に示した。
【００７４】
さらに、比較例１として、温度調整ガスとしてＨｅガスを用いた以外は、実施例１と同じ条件で基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、下記表７に示した。
【００７５】
また、比較例２として、温度調整ガスとしてＨｅガスを用い、且つ伝熱空間ＴへのＨｅガスの供給圧力を３Ｔｏｒｒに設定した以外は、実施例１と同じ条件で基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、さらに、伝熱空間Ｔから処理空間ＳへのＮ２ガスの漏れ量も計測して下記表７に示した。
【００７６】
【表７】
【００７７】
表７に示されるように、温度調整ガスとしてＮ２ガスを用いた場合（実施例１，２）と、Ｈｅガスを用いた場合（比較例１，２）とにおいて、供給圧力が同じであれば、基板Ｇの温度はほぼ同じであるか、寧ろ、Ｎ２ガスを用いた場合の方が低いことが分かった。特に、より分子流領域の性質が強くなる、圧力の低い場合（２Ｔｏｒｒで実施された実施例１と比較例１）の比較においてはＮ２ガスの方が顕著に冷却効果が高いことが分かった。これにより、温度調整ガスとしてＮ２ガスを用いれば、コストに見合った基板Ｇの冷却効果を得ることができるのが分かった。
【００７８】
また、漏れ量はＨｅガスよりもＮ２ガスの方が少ない。漏れ量が少ないと、伝熱空間Ｔにおける温度調整ガスの圧力分布が安定し、基板Ｇを全面に亘って均一に冷却することができる。Ｎ２ガスの漏れ量が少ないのは、Ｎ２分子の分子径がＨｅ分子の分子径よりも大きく、伝熱空間Ｔの周囲に存在する微小な隙間からＮ２分子が流れ出しにくいためと推察された。この点からも、温度調整ガスとしてＨｅガスよりもＮ２ガスを用いるのが好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【００７９】
Ｇ 基板
Ｔ 伝熱空間
１０ 基板処理装置
１１ チャンバ
１２ サセプタ
１４ 静電チャック
１４ａ 吸着面
１４ｂ 突起部
１８ ガス流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板載置台に載置される比較的大型の基板を冷却する基板載置システム、基板処理装置、静電チャック及び基板冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置（ＬＣＤ）をはじめとする比較的大型のＦＰＤ（Flat Panel Display）、例えば、第７世代以降のＦＰＤの製造工程において、ＦＰＤ用の基板に対して所定の処理、例えば、プラズマ処理を施す基板処理装置が知られている。
【０００３】
この基板処理装置は、処理室（以下、「チャンバ」という。）内で基板を載置する基板載置台と、該基板載置台と処理空間を隔てて対向するように配置された上部電極とを有する。基板載置台にはプラズマ生成用の高周波電力（ＲＦ）が供給されて該基板載置台が下部電極として機能し、チャンバ内の処理空間に導入された処理ガスから高周波電力によってプラズマが生成される。生成されたプラズマは基板載置台に載置される基板に対して所定のプラズマ処理を施す。また、基板載置台の上部には静電チャックが設けられ、基板に所定のプラズマ処理が施される間、静電チャックは基板に静電吸着力を作用させて吸着する。
【０００４】
所定のプラズマ処理が施された基板は、プラズマ中の陽イオンの衝突等によって受熱して温度が上昇するため、基板と基板載置台の間に温度調整ガスを流し、該温度調整ガスによって基板の熱を基板載置台へ伝えることにより、基板の温度を所定の温度に維持する。
【０００５】
このような温度調整ガスを基板の裏面冷却（Back Cooling）ガス（以下、単に「ＢＣガス」という。）と言うが、通常、ＢＣガスとしては不活性ガスであって熱伝導率の高いヘリウム（Ｈｅ）ガスが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２４５５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＦＰＤ用の基板はガラスからなり、体積固有抵抗値が大きいため、当該基板に作用する静電吸着力はジョンソンラーベック力ではなくクーロン力となる。通常、クーロン力はジョンソンラーベック力よりも弱いため、基板を基板載置台（静電チャック）へ向けて強く吸着できず、基板と基板載置台の間のＨｅガスの圧力を高めることができない。したがって、ＦＰＤ用の基板にプラズマ処理を施す基板処理装置では、基板と基板載置台の間のＨｅガスの圧力が約３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）以下に設定される。
【０００８】
Ｈｅガスの圧力が約３Ｔｏｒｒ以下に設定されると、Ｈｅガスの流れ状態が粘性流領域から分子流領域へ移行してＨｅガスの熱流束が大幅に低下する。また、一般にＨｅガスは高価であるため、ＦＰＤ用の基板にプラズマ処理を施す基板処理装置において温度調整ガスとしてＨｅガスを用いると、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができない。
【０００９】
本発明の目的は、大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができる基板載置システム、基板処理装置、静電チャック及び基板冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１記載の基板冷却システムは、基板を載置する基板載置台と、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを備える基板冷却システムにおいて、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の基板冷却システムは、請求項１記載の基板冷却システムにおいて、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の基板冷却システムは、請求項１又は２記載の基板冷却システムにおいて、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の基板冷却システムは、請求項１又は２記載の基板冷却システムにおいて、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５記載の基板処理装置は、基板を収容する収容室と、該収容室内に配置されて前記基板を載置する基板載置台とを備え、前記基板載置台は、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを有する基板処理装置において、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の基板処理装置は、請求項５記載の基板処理装置において、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載の基板処理装置は、請求項５又は６記載の基板処理装置において、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載の基板処理装置は、請求項５又は６記載の基板処理装置において、前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項９記載の静電チャックは、基板を載置する基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックであって、前記静電吸着された基板との間に伝熱空間を形成し、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に温度調整ガスとして供給されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１０記載の静電チャックは、請求項９記載の静電チャックにおいて、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１記載の静電チャックは、請求項９又は１０記載の静電チャックにおいて、前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする。
【００２１】
請求項１２記載の静電チャックは、請求項９又は１０記載の静電チャックにおいて、前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項１３記載の基板冷却方法は、基板載置台に載置された基板を冷却する基板冷却方法であって、前記基板載置台における前記基板が載置される面に設けられた静電チャックが前記基板を静電吸着する基板吸着ステップと、該静電吸着ステップが実行される間、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給ステップとを有し、前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、前記ガス供給ステップでは、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給されることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４記載の基板冷却方法は、請求項１３記載の基板冷却方法において、前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、静電吸着された基板及び静電チャックの間の伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、温度調整ガスが３Ｔｏｒｒ以下で伝熱空間に供給されて温度調整ガスの状態は分子流領域へ移行するが、温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスが供給される。窒素ガス及び酸素ガスの分子流領域における熱流束は、ヘリウムガスの分子流領域における熱流束よりも大きい。したがって、窒素ガス及び酸素ガスは静電吸着された基板の熱をヘリウムガスよりも静電チャック（ひいては基板載置台）へ効率よく伝えることができる。また、窒素ガス及び酸素ガスはヘリウムガスよりも安価である。その結果、大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板の冷却効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る基板載置システムが適用される基板処理装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１における静電チャックの吸着面において開口するガス流路近傍の構成を示す拡大断面図である。
【図３】図１における静電チャックの吸着面の変形例を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態に係る基板載置システムが適用される基板処理装置の構成を概略的に示す断面図である。この基板処理装置は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）製造用のガラス基板に所定のプラズマ処理を施す。
【００２８】
図１において、基板処理装置１０は、例えば１辺が数ｍの矩形のガラス基板（以下、単に「基板」という。）Ｇを収容する処理室（チャンバ）１１を有する。チャンバ１１の内部の図中下方には基板Ｇを載置する基板載置台（サセプタ）１２が配置されている。サセプタ１２は、例えば、表面がアルマイト処理されたアルミニウムやステンレス等からなる断面凸型の基材１３と、該基材１３の上部に配された静電チャック１４とを有する。静電チャック１４は基材１３の上部をセラミックス溶射で覆うことによって形成されており、上記セラミック溶射で形成された誘電体層の内部において上部誘電体層と下部誘電体層の間に挟まれた静電電極板１５を有する。
【００２９】
静電チャック１４の内部の静電電極板１５には直流電源１７が接続されており、静電電極板１５に正の直流電圧が印加されると、静電電極板１５によって生じた電界に起因して静電チャック１４に載置された基板Ｇが分極する際に該基板Ｇに発生する電荷を中和するために、基板Ｇの表面に負電位が発生し、異なる極性の電位の間（基板Ｇの裏面及び静電電極板１５の間）に生じるクーロン力により、基板Ｇが静電チャック１４に静電吸着される。以下、本実施の形態では、静電チャック１４における静電吸着された基板Ｇが対向する面を吸着面１４ａという。
【００３０】
基材１３の下部には、基材１３及び静電チャック１４に載置された基板Ｇの温度を調節するための冷媒流路（図示しない）が内部に設けられている冷却板３６が配置される。この冷媒流路には、例えば、冷却水やガルデン（登録商標）等の冷媒が循環供給され、該冷媒によってサセプタ１２が冷却される。
【００３１】
また、基材１３の内部には温度調整ガスが流れるガス流路１８が設けられ、該ガス流路１８はチャンバ１１の外に設けられている温度調整ガス供給装置１９に接続される一方、静電チャック１４を貫通して吸着面１４ａの複数箇所で開口する。温度調整ガス供給装置１９が供給する温度調整ガスはガス流路１８（ガス供給系）を介して静電吸着された基板Ｇ及び静電チャック１４の間の伝熱空間Ｔ（下記図２参照。）へ供給される。伝熱空間Ｔへ供給された温度調整ガスは、所定のプラズマ処理が施されて温度が上昇している基板Ｇの熱を冷却されているサセプタ１２へ伝えることにより、基板Ｇの温度を所定の温度に維持する。
【００３２】
図２は、図１における吸着面において開口するガス流路近傍の構成を示す拡大断面図である。
【００３３】
図２において、静電チャック１４の吸着面１４ａには複数の凸部が設けられる。具体的には、吸着面１４ａに複数の円柱状の突起部１４ｂが設けられ、基板Ｇが静電吸着される際、各突起部１４ｂは基板Ｇの裏面と当接する。各ガス流路１８は各突起部１４ｂの間に存在する非突起面１４ｄにおいて開口する。本実施の形態では、基板Ｇの裏面及び非突起面１４ｄの間の空間を伝熱空間Ｔという。ガス流路１８の開口部１８ａから流れ出た温度調整ガスは伝熱空間Ｔを伝って拡散し、やがて基板Ｇの裏面全体と接触する。伝熱空間Ｔの図中上下方向に関する厚さｔは、後述する理由により、５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下に設定される。
【００３４】
図１に戻り、基材１３には、静電チャック１４の周囲を囲むようにリング状シールド部材としてのシールドリング１６が設けられており、シールドリング１６は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックスで構成された複数の長尺体を組み合わせて構成される。
【００３５】
基材１３の側面には、該側面を覆うようにサイドリング状シールド部材としての絶縁リング３４が配置されている。絶縁リング３４は絶縁性のセラミックス、例えばアルミナで構成されている。また、基材１３の下方では、絶縁体３５が冷却板３６とチャンバ１１の底面との間に介在するように配置されている。
【００３６】
サセプタ１２の基材１３には、高周波電力を供給するための高周波電源２０が整合器２１を介して接続されている。高周波電源２０からは高周波電力が基材１３へ供給されてサセプタ１２は下部電極として機能する。整合器２１は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への供給効率を最大にする。
【００３７】
基板処理装置１０では、チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって側方排気路２２が形成される。この側方排気路２２は排気管２３を介して排気装置２４に接続されている。排気装置２４としてのＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）、ＤＰ（Dry Pump）やＭＢＰ（Mechanical Booster Pump）はチャンバ１１内を真空引きして減圧する。具体的には、ＤＰ若しくはＭＢＰはチャンバ１１内を大気圧から中真空状態（例えば、１．３×１０Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧し、ＴＭＰはＤＰ又はＭＢＰと協働してチャンバ１１内を中真空状態より低い圧力である高真空状態（例えば、１．３×１０−３Ｐａ（１．０×１０−５Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力はＡＰＣバルブ（図示しない）によって制御される。
【００３８】
チャンバ１１の天井部分には、サセプタ１２と対向するようにシャワーヘッド２５が配置されている。シャワーヘッド２５は内部空間２６を有するとともに、サセプタ１２との間の処理空間Ｓに処理ガスを吐出する複数のガス孔２７を有する。シャワーヘッド２５は接地されており、下部電極として機能するサセプタ１２と共に一対の平行平板電極を構成する。
【００３９】
また、シャワーヘッド２５は、ガス供給管２８を介して処理ガス供給装置２９に接続されている。ガス供給管２８には、開閉バルブ３０及びマスフローコントローラ３１が設けられている。また、チャンバ１１の側壁には基板搬出入口３２が設けられており、この基板搬出入口３２はゲートバルブ３３によって開閉自在に構成され、該ゲートバルブ３３を介して基板Ｇが搬出入される。
【００４０】
基板処理装置１０では、処理ガス供給装置２９からガス供給管２８を介して処理ガスが供給される。供給された処理ガスは、シャワーヘッド２５の内部空間２６及びガス孔２７を介してチャンバ１１の処理空間Ｓへ導入され、該導入された処理ガスは、高周波電源２０からサセプタ１２を介して処理空間Ｓへ供給されるプラズマ生成用の高周波電力によって励起されてプラズマとなる。プラズマ中の陽イオンは、基板Ｇに向かって引きこまれ、基板Ｇに対して所定のプラズマ処理を施す。
【００４１】
基板処理装置１０の各構成部品の動作は、基板処理装置１０が備える制御部（図示しない）のＣＰＵが所定のプラズマ処理に対応するプログラムに応じて制御する。
【００４２】
なお、基板処理装置１０では、サセプタ１２、静電チャック１４及びガス流路１８が基板処理システムを構成する。
【００４３】
ところで、基板Ｇであるガラス基板は体積固有抵抗値が大きいため、基板Ｇに作用する静電吸着力はジョンソンラーベック力ではなくクーロン力となる。通常、クーロン力はジョンソンラーベック力よりも弱いため、基板Ｇを強く静電吸着できない。その結果、基板Ｇの静電チャック１４からの浮き上がりを防止するために、図１の基板処理装置１０では、伝熱空間Ｔに供給される温度調整ガスの圧力が比較的低く、具体的には、約３Ｔｏｒｒ以下に設定される。
【００４４】
例えば、温度調整ガスとしてＨｅガスを用い、該Ｈｅガスの供給圧力を３Ｔｏｒｒとした場合、圧力によって変化する平均自由行程λは、ヘリウム分子において６．０８×１０−５ｍとなり、伝熱空間Ｔの厚さｔを５０μｍとすると、Ｈｅガスの流れ状態の指標である、下記式（１）で示されるクヌーセン数Ｋは１．２１６となる。なお、下記式（１）のｄは伝熱空間Ｔの厚さｔである。
Ｋ ＝ λ ／ ｄ … （１）
一般に、クヌーセン数Ｋが０．０１よりも小さければ、ガスの流れ状態は粘性流領域にあり、クヌーセン数Ｋが０．３よりも大きければ、ガスの流れ状態は分子流領域、クヌーセン数Ｋが０．０１〜０．３の領域では、ガスの流れ状態が中間流領域にあると考えられる。したがって、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合、Ｈｅガスの流れ状態は分子流領域にあると考えられる。なお、上記クヌーセン数の境界値を境に明確にガスの流れ状態が分かれることはなく、ガスの流れ状態は上記境界値の近傍で粘性流領域、中間流領域、分子流領域と連続的に変化していく。したがって、ガスの流れ状態はクヌーセン数が０．３を超えると全てのガス分子が一様に同じ分子流領域にあると言う訳ではなく、クヌーセン数が大きくなるにつれ、より分子流領域としての性質が強くなっていくと言うものである。
【００４５】
また、Ｈｅガス以外の不活性ガス、例えば、酸素（Ｏ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス及びクリプトン（Ｋｒ）ガスの供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合における各ガス分子の平均自由行程は下記表１に示す通りである。
【００４６】
【表１】
【００４７】
上記式（１）に基づいて求められる伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍの場合における各ガスのクヌーセン数Ｋは下記表２に示すとおりであり、０．３よりも大きいか、ほぼ０．３近傍である。したがって、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合、Ｏ２ガス、Ｎ２ガス、Ｘｅガス及びＫｒガスのいずれも流れ状態は分子流領域の性質が強い状態にあると考えられる。
【００４８】
【表２】
【００４９】
ガスの流れ状態が粘性流領域から分子流領域へ移行するにつれて基板Ｇから静電チャック１４への当該ガスによって伝えられる熱の移動量である熱流束が低下するが、分子流領域においてはガスの熱流束ｑは下記式（２）で示される。
ｑ ＝ αΛｐ（Ｔ−Ｔｏ） … （２）
ここで、αは熱的適応係数、Λは自由分子熱伝達率、ｐはガスの供給圧力、Ｔは表面温度（本実施の形態では吸着面１４ａの温度である。）、Ｔｏはガス分子温度（本実施の形態では基板Ｇによって加熱された温度調整ガスの温度である。）を示し、特に、自由分子熱伝達率Λは下記式（３）で示される。
Λ ＝ （γ＋１）／２（γ−１）×（ｋ／２πｍＴ’）１／２ … （３）
ここで、γは比熱比、ｋは気体定数、ｍは分子量、Ｔ’＝（Ｔ＋Ｔｏ）／２である。
【００５０】
熱的適応係数αは各ガスの熱交換効率の指標であり、ガス分子及び該ガス分子が衝突する物体表面（本実施の形態では吸着面１４ａである。）の状態によって異なり、実験を通じて得られるが、具体的には下記表３に示す通りである（裳華房、物理学選書（１１）「真空の物理と応用」、熊谷寛夫、富永五郎、辻泰、堀越源一共著より抜粋した。）。
【００５１】
【表３】
【００５２】
また、表面温度Ｔは２０℃、ガス分子温度Ｔｏは６０℃、ガスの供給圧力ｐは３Ｔｏｒｒとすると、各ガスの比熱比γ、分子量ｍは下記表４に示す通りである。なお、気体定数ｋはガス種に依存せず一定値であり、その値は８．３１[Ｊ／ｋ・ｍｏｌ]である。
【００５３】
【表４】
【００５４】
以上より、上記式（２）及び（３）基づいて求められる伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合の各ガスの熱流束Ｗ／ｍ２は下記表５に示すとおりである。
【００５５】
【表５】
【００５６】
なお、伝熱空間Ｔの厚さｔが１０μｍであって、供給圧力が３Ｔｏｒｒの場合における各ガスのクヌーセン数Ｋは下記表６に示すとおりであり、全てのガスの流れ状態が分子流領域にあると考えられるが、上記式（２）及び（３）に示すように、ガスの熱流束ｑやガスの自由分子熱伝達率Λを求める際に、伝熱空間Ｔの厚さｔが変数として用いられないため、供給圧力が３Ｔｏｒｒであって、各ガスの流れ状態が分子流領域にあれば、各ガスの熱流束は上記表５に示す熱流束と同じである。
【００５７】
【表６】
【００５８】
上記表５に示すように、分子流領域におけるＮ２ガス及びＯ２ガスの熱流束は、分子流領域におけるＨｅガス、Ｘｅガス及びＫｒガスの熱流束よりも大きい。供給圧力がより小さくなれば、一般にガス分子の平均自由行程λは大きくなってクヌーセン数Ｋも大きくなるので、ガスの流れ状態は分子流領域に移行しやすくなる。また、伝熱空間Ｔの厚さｔが小さくなれば、クヌーセン数Ｋが大きくなるので、ガスの流れ状態は分子流領域に移行しやすくなる。
【００５９】
したがって、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下であって、供給圧力が３Ｔｏｒｒ以下であれば、Ｎ２ガス及びＯ２ガスの熱流束は、Ｈｅガス、Ｘｅガス及びＫｒガスの熱流束よりも大きいと言える。本発明は上記知見に基づくものである。
【００６０】
図１の基板処理装置１０において、基板Ｇに所定のプラズマ処理、例えば、プラズマエッチング処理を基板Ｇに施す場合、まず、チャンバ１１内を高真空状態まで減圧し、基板Ｇをサセプタ１２の静電チャック１４へ載置するとともに、シャワーヘッド２５からチャンバ１１の処理空間Ｓへ処理ガスを供給し、ＡＰＣバルブにて処理空間Ｓの圧力を所定の圧力へ制御し、且つ静電吸着させる（基板吸着ステップ）。このとき、伝熱空間Ｔへガス流路１８から温度調整ガスとしてＮ２ガス又はＯ２ガスを３Ｔｏｒｒ以下で供給する（ガス供給ステップ）。伝熱空間Ｔの厚さｔは各突起部１４ｂによって５０μｍ以下に設定される。
【００６１】
次いで、高周波電源２０からサセプタ１２を介して処理空間Ｓへ高周波電力を供給する。これにより、処理ガスからプラズマが生成され、該プラズマ中の陽イオンやラジカルによって基板Ｇに所望のプラズマエッチング処理が施される。プラズマエッチング処理が施される間、伝熱空間Ｔに供給されたＮ２ガス又はＯ２ガスによって基板Ｇの熱がサセプタ１２へ伝えられ、これにより、基板Ｇの温度が所定の温度以下に維持される。
【００６２】
次いで、プラズマエッチング処理が終了した後、伝熱空間ＴへのＮ２ガス又はＯ２ガスの供給を停止し、且つ静電チャック１４による基板Ｇの静電吸着を停止して本処理を終了する。
【００６３】
本実施の形態に係る基板処理装置によれば、静電吸着された基板Ｇ及び静電チャック１４の間の伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下に設定され、温度調整ガスが３Ｔｏｒｒ以下で伝熱空間Ｔに供給されて温度調整ガスの状態は分子流領域へ移行するが、温度調整ガスとしてＮ２ガス又はＯ２ガスが供給される。伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下であって、供給圧力が３Ｔｏｒｒ以下であれば、Ｎ２ガス又はＯ２ガスの熱流束は、Ｈｅガスの熱流束よりも大きい。したがって、Ｎ２ガス又はＯ２ガスは静電吸着された基板Ｇの熱を静電チャック１４（ひいてはサセプタ１２）へＨｅガスよりも効率よく伝えることができる。また、Ｎ２ガス及びＯ２ガスはＨｅガスよりも安価である。その結果、大型のガラス基板等の体積固有抵抗値が大きい基板であっても、十分な冷却効果を有し、且つ、コストに見合った基板Ｇの冷却効果を得ることができる。
【００６４】
また、基板処理装置１０では、静電チャック１４における吸着面１４ａには複数の突起部１４ｂが設けられるので、Ｎ２ガス又はＯ２ガスが各突起部１４ｂの間に存在する伝熱空間Ｔを伝わって吸着面１４ａの全面に容易に拡散する。その結果、基板Ｇの全面を確実に均一に冷却することができる。
【００６５】
上述した基板処理装置１０では、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍ以下に設定されるが、好ましくは厚さｔが１０μｍ以下に設定されるのがよい。伝熱空間Ｔの厚さｔが１０μｍの場合の基板Ｇに作用するクーロン力は、伝熱空間Ｔの厚さｔが５０μｍの場合のクーロン力の約１．５倍となるため、静電チャック１４による基板Ｇの吸着力を高めることができ、もって、伝熱空間Ｔへ供給されるＮ２ガス又はＯ２ガスの圧力によって基板Ｇが部分的に浮き上がって反るのを防止することができる。その結果、伝熱空間Ｔの厚みを基板Ｇの全面に亘って均一に保つことができる。伝熱空間Ｔへ供給するガスがＨｅガスの場合であっても厚さｔを１０μｍ以下にすれば同様の吸着力を得ることはできるが、表２と表６から分かるように、厚さｔが１０μｍにおけるＨｅガスのクヌーセン数は他のガスのクヌーセン数よりも大きくなってＨｅガスでは分子流領域の性質がより顕著に強くなるため、伝熱効果が悪くなる性質もより顕著に現われることが予想される。したがって、Ｈｅガスの場合には、例え、静電チャック１４による基板Ｇの吸着力が向上したとしても、基板Ｇの温度調整という観点からは好ましいとは言えない。
【００６６】
なお、伝熱空間Ｔの厚さｔは、本発明の本質に鑑みた場合、０よりも大きな数値であればよいが、現実的な装置の加工技術上の制約が存在するため、所定の数値以上にならざるを得ない。
【００６７】
また、上述した基板処理装置１０では、温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを用いる場合について説明したが、微量でも漏洩した温度調整ガスが基板Ｇの処理に影響を与える懸念がある場合には、基板Ｇの処理に対してより影響の低い窒素ガスを温度調整ガスとして用いることが好ましい。
【００６８】
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００６９】
上述した基板処理装置１０における静電チャック１４の吸着面１４ａには複数の凸部が設けられたが、図３に示すように、静電チャック１４の吸着面１４ａを平滑に形成してもよい。この場合、吸着面１４ａ及び基板Ｇの裏面の間の一部にスペーサー（例えば、厚さが５０μｍ以下のスペーサー）等を介在させて吸着面１４ａ及び基板Ｇの裏面の間に厚さｔの伝熱空間Ｔを形成する必要があるが、静電チャック１４の形成を容易に行うことができ、もって、静電チャック１４の製造コストを抑制することができる。
【００７０】
また、上述した基板処理装置１０は基板Ｇへ所定のプラズマ処理を施すが、本発明を適用可能な装置はプラズマ処理装置に限られず、例えば、基板Ｇへ熱処理等の他の処理を施す装置であっても、基板Ｇを静電吸着し且つ冷却する装置であれば、本発明を適用することができる。
【実施例】
【００７１】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００７２】
まず、実施例１として、吸着面１４ａに複数の突起部１４ｂを有する基板処理装置１０において温度調整ガスとしてＮ２ガスを用い、伝熱空間Ｔの厚さｔを５０μｍ、伝熱空間ＴへのＮ２ガスの供給圧力を２Ｔｏｒｒ（２６７Ｐａ）に設定し、処理ガスとしてＯ２ガスを処理空間Ｓへ導入し、処理空間Ｓの圧力を５０ｍＴｏｒｒ（６．７Ｐａ）に調整し、高周波電源２０から４５００Ｗの高周波電力を処理空間Ｓへ１２０秒に亘って供給して基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、下記表７に示した。
【００７３】
また、実施例２として、伝熱空間ＴへのＮ２ガスの供給圧力を３Ｔｏｒｒに設定した以外は、実施例１と同じ条件で基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、さらに、伝熱空間Ｔから処理空間ＳへのＮ２ガスの漏れ量も計測して下記表７に示した。
【００７４】
さらに、比較例１として、温度調整ガスとしてＨｅガスを用いた以外は、実施例１と同じ条件で基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、下記表７に示した。
【００７５】
また、比較例２として、温度調整ガスとしてＨｅガスを用い、且つ伝熱空間ＴへのＨｅガスの供給圧力を３Ｔｏｒｒに設定した以外は、実施例１と同じ条件で基板Ｇへプラズマエッチング処理を施した場合における基板Ｇの中心部、周縁部の温度を計測し、さらに、伝熱空間Ｔから処理空間ＳへのＮ２ガスの漏れ量も計測して下記表７に示した。
【００７６】
【表７】
【００７７】
表７に示されるように、温度調整ガスとしてＮ２ガスを用いた場合（実施例１，２）と、Ｈｅガスを用いた場合（比較例１，２）とにおいて、供給圧力が同じであれば、基板Ｇの温度はほぼ同じであるか、寧ろ、Ｎ２ガスを用いた場合の方が低いことが分かった。特に、より分子流領域の性質が強くなる、圧力の低い場合（２Ｔｏｒｒで実施された実施例１と比較例１）の比較においてはＮ２ガスの方が顕著に冷却効果が高いことが分かった。これにより、温度調整ガスとしてＮ２ガスを用いれば、コストに見合った基板Ｇの冷却効果を得ることができるのが分かった。
【００７８】
また、漏れ量はＨｅガスよりもＮ２ガスの方が少ない。漏れ量が少ないと、伝熱空間Ｔにおける温度調整ガスの圧力分布が安定し、基板Ｇを全面に亘って均一に冷却することができる。Ｎ２ガスの漏れ量が少ないのは、Ｎ２分子の分子径がＨｅ分子の分子径よりも大きく、伝熱空間Ｔの周囲に存在する微小な隙間からＮ２分子が流れ出しにくいためと推察された。この点からも、温度調整ガスとしてＨｅガスよりもＮ２ガスを用いるのが好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【００７９】
Ｇ 基板
Ｔ 伝熱空間
１０ 基板処理装置
１１ チャンバ
１２ サセプタ
１４ 静電チャック
１４ａ 吸着面
１４ｂ 突起部
１８ ガス流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載置する基板載置台と、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを備える基板冷却システムにおいて、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする基板冷却システム。
【請求項２】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１記載の基板冷却システム。
【請求項３】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の基板冷却システム。
【請求項４】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の基板冷却システム。
【請求項５】
基板を収容する収容室と、該収容室内に配置されて前記基板を載置する基板載置台とを備え、前記基板載置台は、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを有する基板処理装置において、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする基板処理装置。
【請求項６】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項５記載の基板処理装置。
【請求項７】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項５又は６記載の基板処理装置。
【請求項８】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする請求項５又は６記載の基板処理装置。
【請求項９】
基板を載置する基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックであって、
前記静電吸着された基板との間に伝熱空間を形成し、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に温度調整ガスとして供給されることを特徴とする静電チャック。
【請求項１０】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項９記載の静電チャック。
【請求項１１】
前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項９又は１０記載の静電チャック。
【請求項１２】
前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする請求項９又は１０記載の静電チャック。
【請求項１３】
基板載置台に載置された基板を冷却する基板冷却方法であって、
前記基板載置台における前記基板が載置される面に設けられた静電チャックが前記基板を静電吸着する基板吸着ステップと、
該静電吸着ステップが実行される間、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給ステップとを有し、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
前記ガス供給ステップでは、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給されることを特徴とする基板冷却方法。
【請求項１４】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１３記載の基板冷却方法。
【請求項１】
基板を載置する基板載置台と、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを備える基板冷却システムにおいて、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ（４００Ｐａ）以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする基板冷却システム。
【請求項２】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１記載の基板冷却システム。
【請求項３】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の基板冷却システム。
【請求項４】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の基板冷却システム。
【請求項５】
基板を収容する収容室と、該収容室内に配置されて前記基板を載置する基板載置台とを備え、前記基板載置台は、該基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックと、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給系とを有する基板処理装置において、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
前記ガス供給系は、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスを３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給することを特徴とする基板処理装置。
【請求項６】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項５記載の基板処理装置。
【請求項７】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項５又は６記載の基板処理装置。
【請求項８】
前記静電チャックにおける前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする請求項５又は６記載の基板処理装置。
【請求項９】
基板を載置する基板載置台における前記基板が載置される面に設けられて前記基板を静電吸着する静電チャックであって、
前記静電吸着された基板との間に伝熱空間を形成し、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に温度調整ガスとして供給されることを特徴とする静電チャック。
【請求項１０】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項９記載の静電チャック。
【請求項１１】
前記基板の吸着面には複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項９又は１０記載の静電チャック。
【請求項１２】
前記基板の吸着面は平滑に形成されることを特徴とする請求項９又は１０記載の静電チャック。
【請求項１３】
基板載置台に載置された基板を冷却する基板冷却方法であって、
前記基板載置台における前記基板が載置される面に設けられた静電チャックが前記基板を静電吸着する基板吸着ステップと、
該静電吸着ステップが実行される間、前記静電吸着された基板及び前記静電チャックの間の伝熱空間に温度調整ガスを供給するガス供給ステップとを有し、
前記伝熱空間の厚さが５０μｍ以下に設定され、
前記ガス供給ステップでは、前記温度調整ガスとして窒素ガス又は酸素ガスが３Ｔｏｒｒ以下で前記伝熱空間に供給されることを特徴とする基板冷却方法。
【請求項１４】
前記伝熱空間の厚さが１０μｍ以下に設定されることを特徴とする請求項１３記載の基板冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１０２０７６（Ｐ２０１３−１０２０７６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５４４３（Ｐ２０１１−２４５４４３）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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