JP2010073655A - 温度調節機構およびプラズマ処理装置 - Google Patents

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

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。

実用新案登録第３０６１０６７号公報 特開２００２−２９９３３０号公報 国際公開第２００２／０６７３０１号パンフレット

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３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ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３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（Ｎ_２）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。

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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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