JP2010073655A - 温度調節機構およびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマ処理に用いる誘電体窓の温度を制御して良好なプラズマ処理特性を実現するとともに、装置全体を効率よく温度制御しながら、安全に作業することができる温度調節機構および温度調節機構を用いるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置1は、誘電体窓3を冷却する冷却流路21と、外部機構10を冷却する外部冷却流路27を備える。チラー20は、外部機構10を冷却する熱媒体の温度に設定しておく。熱媒体はチラー20から往路27aへ供給され、外部冷却流路27を介して外部機構10の熱を奪い、復路27bを通りチラー20に戻される。同時に熱媒体はチラー20から往路21aへ供給され、ヒータ25で所定の温度に加熱され、冷却流路21を介して誘電体窓3の熱を奪い、復路21bを通りチラー20に戻される。復路21bと往路21aの間、復路27bと往路21aの間に、熱交換器26a、26bを備えてもよい。
【選択図】図2
【解決手段】プラズマ処理装置1は、誘電体窓3を冷却する冷却流路21と、外部機構10を冷却する外部冷却流路27を備える。チラー20は、外部機構10を冷却する熱媒体の温度に設定しておく。熱媒体はチラー20から往路27aへ供給され、外部冷却流路27を介して外部機構10の熱を奪い、復路27bを通りチラー20に戻される。同時に熱媒体はチラー20から往路21aへ供給され、ヒータ25で所定の温度に加熱され、冷却流路21を介して誘電体窓3の熱を奪い、復路21bを通りチラー20に戻される。復路21bと往路21aの間、復路27bと往路21aの間に、熱交換器26a、26bを備えてもよい。
【選択図】図2
Description
本発明は、温度調節機構および温度調節機構を用いるプラズマ処理装置に関する。
集積回路や液晶、太陽電池など多くの半導体デバイスの製造にプラズマ技術が広く用いられている。プラズマ技術は半導体製造過程の薄膜の堆積やエッチング工程などで利用されているが、より高性能かつ高機能な製品のために、例えば超微細加工技術など高度なプラズマ処理が求められる。特に、比較的圧力が低い高真空状態でも安定して高密度なプラズマをたてることができるマイクロ波プラズマ処理装置が使用されることが多い。
プラズマ処理装置は、マイクロ波を伝播する誘電体窓(プラズマ処理用のガスを供給するシャワープレートとしても機能してもよい)などが比較的高温になりやすく、安定してプラズマを発生させるために、温度制御が必要となる。安定したプラズマ生成のために、直接にプラズマ処理装置の制御や調整を行うことがあるが、処理装置も温度が高くなっているので、安全に作業を行うために、必要箇所を冷却しておくことが望ましい。
特許文献1には、半導体製造装置や液晶製造装置ユニットの冷却に際して消費エネルギーを低く抑えることが可能であるとともに装置全体を小型化することが可能であり、更に、工場等の冷却設備の負担を少なくすることが記載されている。熱媒体を蓄えるためのブラインタンクと、被冷却物に循環供給するためのブライン流路及び循環ポンプと、熱媒体を設定温度以下に冷却するための冷却装置ユニットと、熱媒体を設定温度まで上昇させるための加熱手段と、冷却装置ユニットから排出される高温の水を加熱手段に供給するための加熱媒体供給手段と、制御手段とを備える。
特許文献2には、ラジアルラインスロットアンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置において、シャワープレートの冷却効率を最適化し、同時にマイクロ波の励起効率を最適化することが記載されている。特許文献2のプラズマ処理装置は、ラジアルラインスロットアンテナの放射面を、処理室外壁の一部を構成し、シャワープレートに密接したカバープレートに密接させ、さらにラジアルラインスロットアンテナ上に、処理室外壁中を厚さ方向に流れる熱流を吸収するように冷却器を設ける。
特許文献3には、半導体製造装置から排出される温められた冷却水を加熱源として再利用することにより、半導体製造設備の省エネルギ化を達成し得る排熱利用システムが構築されることが記載されている。特許文献3の技術では、半導体製造装置から排出された室温より高い温度の中温冷却水を、中温冷却水供給ラインを介して半導体製造装置に供給し、半導体製造装置から排出された中温冷却水よりさらに高い温度の高温冷却水を、高温冷却水供給ラインを介して半導体製造装置に加熱源として供給する。
プラズマ処理装置の誘電体窓には、プラズマ処理により誘電体窓の中に徐々に熱が蓄積し、非常に大きな温度分布、ひいては熱歪が生じて、装置の特性が変化してしまう(プラズマ処理が不均一化するなど)という問題が起こり得る。また、こうした過熱が生じると、プラズマガスとして分解温度の低いガスを使おうとしても、処理室内へ導入する前に分解してしまうために使うことができないという問題も起きかねない。
このため、誘電体窓の過熱を抑制するため、誘電体窓の周辺(例えば当該装置の上部)を熱媒体を用いて冷却する方法が採られていた。誘電体窓の側面を冷却する場合は、誘電体窓の上部を冷却した熱媒体がそのまま側面を冷却するので、温度の制御に限界があった。また、温度の制御は、流量の変化を利用して行うことが多く、温度変化の応答性が好ましくなかった。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理に用いる誘電体窓の温度を制御して良好なプラズマ処理特性を実現するとともに、装置全体を効率よく温度制御しながら、安全に作業することができる温度調節機構および温度調節機構を備えるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る温度調節機構は、
プラズマを発生する処理室を有するプラズマ処理装置の温度調節機構であって、
前記プラズマ処理装置は、少なくとも1部分が前記処理室と接触し、該処理室の熱が伝導する該処理室の外部にある外部装置と、前記プラズマを挟んで被処理対象物と対向し、該プラズマを前記処理室の内部に封止する誘電体窓と、を備え、
前記外部装置に熱媒体を循環供給させる外部装置冷却流路と、
前記外部装置冷却流路から流れ出る前記熱媒体が直接はその流路に流入せず、前記誘電体窓の近傍に熱媒体を循環供給させる誘電体窓冷却流路と、
前記熱媒体を所定の温度に調節する冷却装置と、
前記誘電体窓冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を所定の温度に加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする。
プラズマを発生する処理室を有するプラズマ処理装置の温度調節機構であって、
前記プラズマ処理装置は、少なくとも1部分が前記処理室と接触し、該処理室の熱が伝導する該処理室の外部にある外部装置と、前記プラズマを挟んで被処理対象物と対向し、該プラズマを前記処理室の内部に封止する誘電体窓と、を備え、
前記外部装置に熱媒体を循環供給させる外部装置冷却流路と、
前記外部装置冷却流路から流れ出る前記熱媒体が直接はその流路に流入せず、前記誘電体窓の近傍に熱媒体を循環供給させる誘電体窓冷却流路と、
前記熱媒体を所定の温度に調節する冷却装置と、
前記誘電体窓冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を所定の温度に加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする。
好ましくは、前記冷却装置から前記誘電体窓冷却流路へ向かう流路であって、前記加熱手段を備える前の流路と、
前記外部装置冷却流路もしくは前記誘電体窓冷却流路のいずれかまたは両方の流路から前記冷却装置へ向かう流路と、
の間で熱交換を行う熱交換器を備えることを特徴とする。
前記外部装置冷却流路もしくは前記誘電体窓冷却流路のいずれかまたは両方の流路から前記冷却装置へ向かう流路と、
の間で熱交換を行う熱交換器を備えることを特徴とする。
好ましくは、前記誘電体窓冷却流路は、前記誘電体窓の前記処理室の外側に向かう面の側に前記熱媒体を循環供給させる上面用冷却流路と、
前記上面用冷却流路から流れ出る前記熱媒体が直接はその流路に流入せず、前記誘電体窓の主面の延長方向の側面に熱媒体を循環供給させる側面用冷却流路と、
を備えることを特徴とする。
前記上面用冷却流路から流れ出る前記熱媒体が直接はその流路に流入せず、前記誘電体窓の主面の延長方向の側面に熱媒体を循環供給させる側面用冷却流路と、
を備えることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記誘電体窓冷却流路は、前記上面用冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を第1の温度に加熱する第1の加熱手段と、
前記側面用冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を第2の温度に加熱する第2の加熱手段と、
を備えることを特徴とする。
前記側面用冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を第2の温度に加熱する第2の加熱手段と、
を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点に係るプラズマ処理装置は、
上記第1の観点にかかる温度調節機構を備えることを特徴とする。
上記第1の観点にかかる温度調節機構を備えることを特徴とする。
本発明の温度調節機構および温度調節機構を用いるプラズマ処理装置によれば、プラズマ処理に用いる誘電体窓の温度を制御して良好なプラズマ処理特性を実現するとともに、装置全体を効率よく温度制御しながら、安全に作業することができる。
以下、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。
図1は本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成概略図である。プラズマ処理装置1は、その内部でプラズマ処理を行う処理容器(チャンバ)2と、処理容器2の上部に設けられた誘電体窓3、アンテナ4、導波管5、冷却ジャケット6と、を備える。
処理容器2の内部には、プラズマを形成する空間Sと、被処理基板Wを載置するステージ7を備える。ステージ7の真下に、筒型の形状をした排気チャンバ8は備えられる。ステージ支持軸9aは排気チャンバ8の中心を通り、処理容器2側の端でステージ7を支持する。排気チャンバ8は、ステージ支持軸9aと間隙を形成しており、この間隙(以下、排気筒8aとする)から排気を行う。
処理容器2の壁を構成する一部として、下部容器2bの上部に、保持リング2aが組み付けられる。保持リング2aは、処理容器2の天井側へ向かってリング径(内径)が拡大する同心円状の段差を有して構成され、誘電体窓3の側面を覆うように保持しながら、誘電体窓3の処理容器2側に向かう面を係止する。保持リング2a及び下部容器2bは、例えばアルミニウム(Al)等からなるものであり、その内壁面には、例えば酸化処理により酸化アルミニウム等からなる保護膜が形成されている。
誘電体窓3は、SiO2やAl2O3などのマイクロ波を伝播する誘電体材料から形成される。誘電体窓3は、保持リング2aに周縁部を保持され、処理容器2の開口部を蓋することができる。誘電体窓3は、シャワープレートの機能を有しており、誘電体窓3に導入したガスは誘電体窓3直下の空間S中に一様に供給される。
アンテナ4は導波部4a、スロット板4b、遅波板4cからなる。スロット板4bは、例えば、RLSA(ラジアルラインスロットアンテナ)などが挙げられる。導波部4aはシールド部材で構成され、遅波板4cはSiO2やAl2O3などの誘電体材料から構成される。遅波板4cは、導波部4aとスロット板4bとの間にありマイクロ波波長を圧縮する。導波管5は外側導波管5aと内側導波管5bからなる同軸導波管である。
誘電体窓3上には、アンテナ4が結合されている。より具体的には、アンテナ4のスロット板4bが誘電体窓3に密接している。アンテナ4には、導波管5が接続されている。導波部4aは外側導波管5aに接続され、スロット板4bは内側導波管5bに結合される。
アンテナ4の上には、誘電体窓3を上方より冷却する手段の冷却ジャケット6を備える。冷却ジャケット6は、プラズマ処理装置1における発熱部位付近のアンテナ4上に設置でき、効率よく冷却でき、また、プラズマ処理装置1の他の部分へ温度影響を与えにくい。冷却ジャケット6は、例えば、アルミニウム(Al)などの熱拡散率が大きい素材でできており、内部全体に行き渡るように熱媒体の冷却流路21を備える。冷却流路21を流れる熱媒体は、誘電体窓3の上方を冷却したい温度に合わせて、予めチラー20に温度を設定しておく。冷却流路21内を、チラー20から供給された熱媒体が流通することで、誘電体窓3やアンテナ4等に蓄積された熱を放出でき、過熱防止の役割を有する。冷却に用いる熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、又はエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体を用いることができる。
誘電体窓3を係止する保持リング2aは、誘電体窓3を側方より冷却する手段を備える。具体的には、保持リング2aの内部に熱媒体を流通できる冷却流路22を備える。冷却流路22を流れる熱媒体は、誘電体窓3の側方を冷却したい温度に合わせて、予めチラー20の温度を設定しておく。冷却流路22内を、チラー20から供給された熱媒体が流通することで、誘電体窓3の側方を冷却し、誘電体窓3の温度上昇を抑制する。
誘電体窓3は、上方にある冷却ジャケット6の冷却流路21と、側方にある保持リング2aの冷却流路22により、効率よく冷却することが可能である。冷却流路21と冷却流路22を流れる熱媒体を異なる温度で設定することで、それぞれの部位に合わせた冷却を行うことができる。冷却流路21と冷却流路22の内部を流通させる熱媒体を等しくすることで、チラー20を兼用できる。温度制御を精密に行う場合は、チラー20と冷却流路21の供給側との間、もしくはチラー20と冷却流路22の供給側との間にヒータ25をつけておく。冷却流路21もしくは冷却流路22に供給する際に、直前でヒータ25で所定の温度まで加熱することにより、精密な温度制御が可能となる。
上方と側方との両方の温度制御を行うときは、それぞれの冷却流路21および冷却流路22に熱媒体を供給する前の段階で、それぞれにヒータ25a、25bを備えておく。また、誘電体窓3の上方もしくは側方のどちら一方の、対応する位置の冷却流路21、22のみ備えておき、誘電体窓3を冷却する構造であってもよい。その場合であっても、ヒータ25を備えておくことが望ましい。より精密に温度制御ができ、かつ、応答性が高くなるので温度制御にかかる時間を短縮できる。
処理容器2の外側にある排気チャンバ8およびステージ支持台9は、処理容器2の熱が伝わり、高温となっている。特に、被処理基板Wを加熱する加熱機構を有するステージ7を支持するステージ支持軸9aは高温になりやすく、そのステージ支持軸9aに直接に連結しているステージ支持台9も高温となる。
排気チャンバ8およびステージ支持台9は、処理容器2の外側にあるため、プラズマ処理装置1の外側から容易に触れられる位置にある。しかし温度が高く、素手で触れると危険であり、作業時の安全を考慮すると、ある程度冷却により温度を下げておく必要がある。しかしながら、逆に温度が低くなりすぎると、排気筒8aをプロセスガスが通るため、プラズマ処理装置1内に堆積物が付着する。
排気チャンバ8とステージ支持台9に、熱媒体を流通させることができる冷却流路23、24を備える。冷却流路23、24内を熱媒体が流通することで、熱を放出する。冷却流路23、24で、万が一触れた場合でも安全性を維持することができる温度まで冷却することができる。また、短時間で温度を下げることができ、そのときの温度を制御することができることから、冷却流路23、24を備えない場合よりも、温度を一定に保つことが可能である。その結果、安全に作業が行え、堆積物の付着を防止し、より安定した状態のプラズマ生成条件とすることができる。このとき冷却に用いる熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、又はエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体を用いることができる。
冷却流路23、24に供給する熱媒体は、誘電体窓3の上方や側方を冷却する冷却流路21、22と同じ熱媒体を用いることができる。さらに、作業空間に限りがあるため、プラズマ処理装置1は大きくない方が好ましいことや、環境などを考慮すると、チラー20は兼用することが望ましい。
チラー20を兼用するときは、まず、最も冷却するときの温度が低い冷却流路23、24に合わせて、チラー20の温度を設定しておく。誘電体窓3の冷却に用いる冷却流路21、22は、それぞれにヒータ25a、25bを備えておき、冷却流路21、22に熱媒体を供給する前の段階で熱媒体を所定の温度まで加熱する。チラー20を兼用した場合でも、ヒータ25a、25bを備えることで、冷却流路21、22、23、24は、それぞれ所定の温度で熱媒体を循環させることができ、かつ、冷却流路21、22を精密に温度制御することができる。
また、冷却流路21、22、23、24から排出した熱媒体は温度が高く、チラー20から冷却流路21、22へ供給する前の、ヒータ25a、25bで加熱しようとする熱媒体は温度が低い。ヒータ25a、25bに流入する流路と、各冷却流路の復路との間に熱交換器を備えてもよい。熱交換器を備えることによって、チラー20、ヒータ25a、25bの負担を軽減し、冷却のエネルギー効率を改善できる。
以下、簡単に、プラズマ処理の方法について説明する。プラズマ処理装置1の処理容器2は誘電体窓3により塞がれている。このとき処理容器2内は、排気チャンバ8の排気筒8aおよび真空ポンプ8bで排気、減圧し、真空状態にする。
マイクロ波源から導波管5を通してマイクロ波を供給する。マイクロ波は導波部4aとスロット板4bとの間を径方向に伝播し、スロット板4bのスロットより放射される。マイクロ波は誘電体窓3を伝播して偏波面を有し、全体として円偏波を形成する。
処理容器2内にマイクロ波が給電されプラズマを形成するときに、アルゴン(Ar)またはキセノン(Xe)、および窒素(N2)などの不活性ガスと、必要に応じて水素などのプロセスガスを、ガス流路へ供給する。ガスは誘電体窓3直下で均一になるように、処理容器2内へ導入する。高周波電源13に電圧を印加し、空間Sに形成されたアルゴン(Ar)またはキセノン(Xe)プラズマを生成し、ステージ7に載置した被処理基板Wにプラズマ処理を施すことができる。例えば被処理基板W上の膜をエッチング、いわゆるRIE(反応性イオンエッチング)する。被処理基板Wを搬入しプラズマ処理後に搬出するという一連の流れを繰り返し、所定枚数の基板に対して所定の基板処理を行う。
安定してプラズマ処理を行うために、誘電体窓3を所定の温度に保つ必要がある。冷却流路21、22にチラー20から熱媒体を供給することで、誘電体窓3に蓄積された熱を奪い冷却することが可能である。冷却流路21、22に供給される前に、ヒータ25a、25bで所定の温度まで熱媒体は加熱されるので、それぞれの箇所に合わせた温度で冷却することが可能である。アンテナ4付近に備えられた温度センサ11での温度検出結果をもとに、制御部(図示せず)から、ヒータ25a、25bの加熱の強弱の指示が行われる。誘電体窓3を、短時間でより精密に温度制御でき、安定してプラズマを形成することができる。
誘電体窓3を冷却するだけでなく、冷却流路23、24の内部に熱媒体を流通させ、排気チャンバ8とステージ支持台9を冷却し、所定の温度に保つ。排気チャンバ8とステージ支持台9は触れても安全性を保てる範囲内の温度まで冷却されており、プラズマ処理装置1付近での作業を安全に行うことができる。堆積物が付着しない温度の範囲での冷却であり品質の低下の恐れはなく、一定の温度に保たれることで、良好なプロセス条件の維持に寄与している。
以下、本発明の第1の観点に係る温度調節機構について説明する。図2は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の温度調節機構を示すブロック図である。プラズマ処理装置は、図1のプラズマ処理装置1を用いる。図2以降では、プラズマ処理装置1にある排気チャンバ8とステージ支持台9とをまとめて外部機構10と記載する。また、各々に対応する冷却流路23、24をまとめて、外部冷却流路27として記載する。
図中の点線囲み部分は、冷却流路21、27で冷却される部分(被冷却物)を示す。被冷却物は、誘電体窓3および外部機構10である。誘電体窓3は上方からの冷却と側方からの冷却の場合があるが、ここではどちらの場合であってもよい。図中の矢印は、熱媒体の移動方向を示す。直線の矢印が示す流路は、チラー20から冷却流路21、27を介して被冷却物までの流路を示す。以下、チラー20から被冷却物までの流路を、往路21a、27a等という。1点鎖線の矢印が示す流路は、被冷却物から冷却流路21、27を介してチラー20までの流路を示す。以下、被冷却物からチラー20までの流路を、復路21b、27b等という。復路21b、27bを流れる熱媒体の温度は、被冷却物から熱を奪ったあとであるため、対応する往路21a、27aを流れる熱媒体の温度よりも、高い温度となる。
プラズマ処理装置1は、誘電体窓3の上方を冷却する冷却流路21を備える。また、外部機構10を冷却する外部冷却流路27も備える。チラー20は、冷却流路21と外部冷却流路27とで兼用して用いるため、熱媒体の温度は、被冷却物の温度が低い、外部機構10を冷却する温度、例えば80℃程度に設定しておく。
外部機構10を外部冷却流路27により冷却し、万が一触れても安全性を維持できる温度にしておくことが望ましい。外部機構10は密閉された処理容器2の外側にあるので、誤って触れる危険性がある。例えば、工場において、装置と装置の間に充分なスペースが確保できない場合など、運転中の隣の装置に触れるなどしてやけどすると危険であり、外部機構10を冷却しておくことで未然に事故を防ぐことができる。さらに、外部機構10を所定の温度で冷却することで、冷却なしの時と異なり、一定の温度に維持することができる。温度が安定することでプラズマ生成条件を一定に保持できる。さらに、急激な温度の変化もなく、所定温度以下の低温になることもないので、外部機構10内を通るプロセスガスにより堆積物が付着する不具合の発生を低減させることができる。
誘電体窓3の温度は、プラズマ生成条件に大きく影響するため、温度を厳密に制御する必要がある。装置を立ち上げて稼働に即応できる状態を維持しているときのアイドリングの状態からプラズマが安定するまでは、熱媒体の温度を100℃に設定しておく。チラー20から出される熱媒体の温度が80℃に設定されているので、80℃から100℃までの温度制御を、ヒータ25のみによって行うことができる。その後プラズマが安定したら、さらにプラズマからの熱が誘電体窓3にも伝わるようになってくるので、熱媒体の温度が100℃のままでは誘電体窓の温度が150℃を超えてしまう。プラズマからの熱量の変化を考慮して、熱媒体への加熱をヒータ25で制御することで、誘電体窓3の温度を安定させることができる。
このとき冷却流路21を流れる熱媒体の量は一定としておき、ヒータ25の加熱の強弱により、熱媒体の温度を厳密に制御する。流量での温度制御に比べ、ヒータ25の加熱の強弱による温度制御は応答性が高く、短時間で所定の温度に制御できる。
チラー20から供給された熱媒体は、誘電体窓3の冷却を行う冷却流路21と、外部機構10の冷却を行う外部冷却流路27との、それぞれの循環経路に分かれて流通する。
外部機構10の冷却において、熱媒体は、往路27aを流通し、外部冷却流路27を介して外部機構10の熱を奪い、復路27bを通り、チラー20に戻される。
誘電体窓3の冷却において、熱媒体は、往路21aの途中に設けられたヒータ25で、所定の温度まで加熱される。例えば、チラー20から80℃で往路21aに供給された熱媒体は、ヒータ25で110℃まで加熱される。そして、冷却流路21を介して誘電体窓3の熱を奪い、復路21bを通り、チラー20に戻される。
外部冷却流路27を流通する熱媒体は、復路27bからチラー20へ戻されたとき、再度チラー20から供給する前に、熱媒体の温度を80℃近くまで下げる必要がある。また、冷却流路21を流通する熱媒体は、ヒータ25で熱する前の往路21aで、ヒータ25により、約20℃近く熱せられることになる。そこで、冷却流路21の、復路21bと往路21aとの間に熱交換器26aを備えることで、ヒータ25で熱媒体の全ての加熱を行わずに済む。また、外部冷却流路27の復路27bと、冷却流路21の往路21aと、の間に熱交換器26bを備えることでも同様の結果を得ることができる。このとき、復路21bを流れる熱媒体の温度と、復路27bを流れる熱媒体の温度を比較すると、復路21bを流れる熱媒体の温度の方が高い。温度が高い方をヒータ25の近くになるように配置することで、より効率よく熱交換することができる。
誘電体窓3の方が管理する温度が高く、往路21aを通る熱媒体は、往路27aを通る熱媒体よりも温度を高く設定されている。さらに、被冷却物から熱を奪うため、復路21bを通る熱媒体は、復路27bを通る熱媒体よりも温度が高い。従って、熱交換器26aは、往路21aと復路21bとの間に備えるだけでなく、往路21aと復路27bとの間に熱交換器26bを備えてもよい。2つ備えずに、どちらか一方に熱交換器26a、26bを備えてもよい。その結果、プラズマ処理装置1は熱交換の効率が良くなり、省エネルギー化につながる。
図3は、本発明の実施の形態の変形例1に係るプラズマ処理装置の温度調節機構を示すブロック図である。図中の点線囲み部分は、冷却流路21、22、27で冷却される部分(被冷却物)を示す。被冷却物は、誘電体窓3および外部機構10である。誘電体窓3は上方からの冷却と側方からの冷却がある。基本的な構造は、図2に示す本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の温度調節機構と同じである。
誘電体窓3周辺に、上方を冷却する冷却流路21と、側方を冷却する冷却流路22と、を備える。冷却流路21は、往路21aの途中にヒータ25aを備え、所定の温度の熱媒体を冷却流路21に供給できる。また、往路21aと復路21bとの間に熱交換器26aを備え、効率よく冷却を行う。冷却流路22も同様に、往路22aにヒータ25bを備え、往路22aと復路22bの間に熱交換器26bを備える。このようにすることで、誘電体窓3の上方を冷却する冷却流路21と、誘電体窓3の側方を冷却する冷却流路22との温度を厳密に制御することができる。誘電体窓3の上方は、側方よりもプラズマからの熱を受けやすい。この場合は、ヒータ25bをヒータ25aよりも高温にすればよい。
チラー20での熱媒体の温度は、外部機構10を冷却する外部冷却流路27に合わせて設定しておき、外部機構10より温度が高い誘電体窓3周辺の冷却流路21、22へは、ヒータ25a、25bで所定の温度まで加温する。それぞれの冷却流路21、22、27に合わせた温度で熱媒体を流通させることができ、プラズマ生成条件に合わせた温度で誘電体窓3の温度を維持しながら、プラズマ処理作業を安全に行うことができる。
図4は、本発明の実施の形態の変形例2に係るプラズマ処理装置の温度調節機構を示すブロック図である。冷却流路21、22の往路21a、22aが分流する前の往路部分と、復路21b、22bが合流した後の復路部分と、の間に熱交換器26を備える。誘電体窓3の温度は、外部機構10の温度より高く、また、誘電体窓3の上方と側方は同じ位の温度で制御するので、被冷却物を冷却する前後で流路を1つにまとめることができる。それにより、熱交換器26を1つにすることが可能となる。また、熱交換器26の一端を、復路21b、22bが合流した後の復路部分でなく、復路27bに備えてもよい。
図5は、本発明の実施の形態の変形例3に係るプラズマ処理装置の温度調節機構を示すブロック図である。冷却流路21、22、27の復路21b、22bが合流し、チラー20に戻る直前に、さらに復路27bを合流するように、復路を形成しておく。より高い温度で戻された復路21b、22bが合流した後の復路と、往路27aよりも熱媒体の温度を高くする必要のある往路21a、21bと、の間に熱交換器26を備える。このとき、往路21a、21bが分流する前に、熱交換器26を備えることで、熱交換器26が1つで済む。
実施の形態に係るプラズマ処理装置1の温度調節機構について、様々な流路の取り方が考えられる。流路に合わせて、ヒータ25や熱交換器26の数や配置も任意に設定が可能である。プラズマ処理装置1の形状や大きさに合わせて、温度調節機構を設計することが望ましい。チラー20の温度を設定温度の低い外部機構10に合わせておき、誘電体窓3の冷却流路21、22に供給する往路21a、22aにヒータ25a、25bを備えておくことで、チラー20を兼用し、かつ、各々の冷却流路21、22、27を流れる熱媒体の温度を、所定の温度にでき、誘電体窓3および外部機構10の温度を制御できる。さらに、ヒータ25a、25bにより、短時間でより精密に温度を制御することが可能となる。また、ヒータ25a、25bで加熱する前の往路21a、22aと、冷却流路21、22、27の復路21b、22b、27bとの間に熱交換器26を備えておくことで、ヒータ25による熱媒体の加熱を少なくすることができる。また、チラー20の負担も軽減できる。その結果、プラズマ処理装置1は熱交換の効率が良くなり、省エネルギー化につながる。熱交換器26を備える復路は、復路21b、22b、27bのいずれか、またはそれらの組合せ(すなわち合流した部分)でもよい。
実施の形態に係るプラズマ処理装置1の、誘電体窓3を冷却する冷却流路21の形状は、アンテナ4に対応する形状であることが望ましい。冷却流路22の形状は、誘電体窓3の側面を覆う形状であることが望ましい。誘電体窓3を被うように冷却することで、誘電体窓3の冷却効率を高くすることができる。また、ヒータ25a、25bの位置を、できるだけ冷却流路21、22に近くに配置することで、所定の温度で冷却することが可能となり、温度制御による応答性が高くなる。
プラズマを形成するにあたっては、プラズマ処理装置1の誘電体窓3の上方と側方を別々の温度に分けて管理することで、プラズマによる処理が所望の範囲内で制御できるようになる。高温となる誘電体窓3付近の過熱防止を図りつつ、誘電体窓3の上方と側方とで別々の温度管理を行うためには、冷却流路21、22を備え、各々の流路にヒータ25a、25bを備えることが望ましい。より精密に温度制御されることで、プラズマ生成条件を良好な状態で維持できる。
また、省エネルギー化のために、ヒータ25a、25bで加熱する前の往路21a、22aと、復路21b、22bの間に、熱交換器26a、26bを備えることが望ましい。装置のコンパクト化や設置場所の問題によっては、チラー20だけでなく、熱交換器26を兼用させることもある。熱交換器26の利用により、省エネルギー化が可能となるだけでなく、ヒータ25やチラー20にかかる負担を低減し、かつ、温度が一定になるまでの時間を短縮できる。
さらに、プラズマ処理装置1の外部機構10に外部冷却流路27を備えることで、装置の安全性が高まり、不慮の事故を防止できる。さらに、外部機構10を通るプロセスガスへの急激な温度低下や温度変化を防止でき、堆積物の付着を低減できる。
なお、実施の形態で説明したプラズマ処理装置および温度調節機構は一例であり、これらに限定されるものではない。プラズマ処理方法やプラズマ処理に用いられるガス、処理を施す基板、温度センサの数などについても、任意に選択することができる。ヒータや熱交換器、冷却流路の配置などについても、実施の形態の例に限らず、様々な実施が可能である。
1 プラズマ処理装置
2 処理容器(チャンバ)
2a 保持リング
3 誘電体窓
4 アンテナ
5 導波管
6 冷却ジャケット
8 排気チャンバ
9 ステージ支持台
10 外部機構
20 チラー
21、22、23、24 冷却流路
21a、22a 往路
21b、22b 復路
25、25a、25b ヒータ
26、26a、26b 熱交換器
27 外部冷却流路
27a 往路
27b 復路
2 処理容器(チャンバ)
2a 保持リング
3 誘電体窓
4 アンテナ
5 導波管
6 冷却ジャケット
8 排気チャンバ
9 ステージ支持台
10 外部機構
20 チラー
21、22、23、24 冷却流路
21a、22a 往路
21b、22b 復路
25、25a、25b ヒータ
26、26a、26b 熱交換器
27 外部冷却流路
27a 往路
27b 復路
Claims (5)
- プラズマを発生する処理室を有するプラズマ処理装置の温度調節機構であって、
前記プラズマ処理装置は、少なくとも1部分が前記処理室と接触し、該処理室の熱が伝導する該処理室の外部にある外部装置と、前記プラズマを挟んで被処理対象物と対向し、該プラズマを前記処理室の内部に封止する誘電体窓と、を備え、
前記外部装置に熱媒体を循環供給させる外部装置冷却流路と、
前記外部装置冷却流路から流れ出る前記熱媒体が直接はその流路に流入せず、前記誘電体窓の近傍に熱媒体を循環供給させる誘電体窓冷却流路と、
前記熱媒体を所定の温度に調節する冷却装置と、
前記誘電体窓冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を所定の温度に加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする温度調節機構。 - 前記冷却装置から前記誘電体窓冷却流路へ向かう流路であって、前記加熱手段を備える前の流路と、
前記外部装置冷却流路もしくは前記誘電体窓冷却流路のいずれかまたは両方の流路から前記冷却装置へ向かう流路と、
の間で熱交換を行う熱交換器を備えることを特徴とする請求項1に記載の温度調節機構。 - 前記誘電体窓冷却流路は、前記誘電体窓の前記処理室の外側に向かう面の側に前記熱媒体を循環供給させる上面用冷却流路と、
前記上面用冷却流路から流れ出る前記熱媒体が直接はその流路に流入せず、前記誘電体窓の主面の延長方向の側面に熱媒体を循環供給させる側面用冷却流路と、
を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の温度調節機構。 - 前記誘電体窓冷却流路は、前記上面用冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を第1の温度に加熱する第1の加熱手段と、
前記側面用冷却流路に流入する前に、前記熱媒体を第2の温度に加熱する第2の加熱手段と、
を備えることを特徴とする請求項3に記載の温度調節機構。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の温度調節機構を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
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