JP5444218B2 - プラズマ処理装置および誘電体窓の温度調節機構 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置および誘電体窓の温度調節機構に関する。

半導体の製造プロセスでは、薄膜の堆積又はエッチング等を目的としたプラズマ処理が広く行われている。高性能かつ高機能な半導体を得るためには、清浄度の高い空間内で、被処理基板の被処理面全面に対し、均一なプラズマ処理を行うことが要求される。この要求は、基板の大径化に伴いますます強まっている。

現在、プラズマ処理におけるプラズマ発生方法として、マイクロ波によるプロセスガスの励起が広く利用されている。マイクロ波は誘電体を透過する性質を有する。プラズマ処理装置に、誘電体材料で形成されマイクロ波を透過させる窓（以下、誘電体窓と呼称する。）を設けることで、プラズマ処理装置外部から内部へとマイクロ波を照射することが可能になる。プラズマ処理装置内に導入されたプロセスガスがこのマイクロ波によって励起された結果、プラズマが発生する。この構成によれば、プラズマ処理装置内に放電電極を設ける必要がないため、処理装置内の清浄度が高く保たれる。また、この方法は、比較的低温でも高密度のプラズマを形成できるため、生産性やエネルギー効率にも優れている。

この方法では誘電体窓に近接した空間において高密度のプラズマが形成されるため、誘電体窓は大量のイオンや電子に曝される。さらに、マイクロ波を供給するアンテナからも熱が発生する。このため、プラズマ処理を長時間行うと、誘電体窓に熱が蓄積する。誘電体窓の過熱は、プロセスガスの励起効率を変化させたり、プロセスガスを分解させたりといった好ましくない現象の原因となる。

誘電体窓の過熱を防ぐため、例えば特許文献１には、処理容器と、冷却部を備えるマイクロ波アンテナと、誘電体材料からなるシャワープレートと、誘電体材料からなりマイクロ波アンテナとシャワープレートとの間に設けられたカバープレートと、を備えるプラズマ処理装置が記載されている。このプラズマ処理装置では、冷却部を備えるマイクロ波アンテナを、カバープレートを介してシャワープレートと密接させることにより、誘電体窓の過熱を防いでいる。

特開２００２−２９９３３０号公報

しかし、特許文献１に記載された装置においても、長時間プラズマ処理を行うと、誘電体窓に非常に大きな温度分布の偏りが生じ、さらには誘電体窓に熱歪が生じて、装置の特性が変化してしまい、均一なプラズマ処理が困難になるなどといった問題がある。プラズマ処理装置のプラズマ処理特性を向上させるためには、誘電体窓の過熱を防ぐだけでは十分ではなく、誘電体窓の温度分布を均一にすることが重要であることが、発明者らの実験等により分かってきた。

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分布を均一化し、良好なプラズマ処理特性を実現することのできるプラズマ処理装置および誘電体窓の温度調節機構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の観点に係るプラズマ処理装置は、
誘電体材料で形成された誘電体窓を備え、内部を減圧可能な処理容器と、
前記誘電体窓を通じて前記処理容器の内部にマイクロ波を供給するアンテナと、
プロセスガスを前記処理容器内に供給するガス供給手段と、
前記誘電体窓の周縁部をその側方から輻射線により加熱する加熱手段と、
前記誘電体窓を冷却する冷却手段と、
を備える。

好ましくは、前記プラズマ処理装置は、さらに、
前記誘電体窓の温度を検出するための温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度に応答して、前記加熱手段及び／又は前記冷却手段を制御するための制御手段と、
を備える。

好ましくは、前記温度検出手段は複数のセンサから構成され、前記センサは複数の区域に分割された前記誘電体窓の前記区域ごとに少なくとも１以上備えられていることを特徴とする。

好ましくは、前記加熱手段は、前記誘電体窓の側面に対向して配置された複数のヒータから構成され、
前記ヒータは前記制御手段によって制御され、
前記誘電体窓の周縁部を、各ヒータに対し独立に設定された発熱量で加熱する、ことを特徴とする。

好ましくは、前記加熱手段と前記誘電体窓の間には、前記マイクロ波を遮断し、かつ、前記加熱手段の前記輻射線を透過する窓が備えられている、
ことを特徴とする。

好ましくは、前記冷却手段は、複数の区域に分割された前記誘電体窓の該区域ごとに熱媒体の導入口と排出口を有することを特徴とする。

特に好ましくは、前記冷却手段は、前記制御手段によって制御され、前記誘電体窓の前記区域ごとに独立に設定された流量で前記熱媒体を流通させることを特徴とする。

好ましくは、前記加熱手段を保持する保持部材は、前記保持部材の温度を所定の温度に維持するための温度調整手段を備えることを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る誘電体窓の温度調節機構は、
誘電体窓の温度調節機構であって、
前記誘電体窓の周縁部をその側方から輻射線により加熱する加熱手段と、
前記誘電体窓を冷却する冷却手段と、
前記誘電体窓の温度を検出するための温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度に応答して、前記加熱手段及び／又は前記冷却手段を制御するための制御手段と、
を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記温度検出手段は複数のセンサから構成され、前記センサは複数の区域に分割された前記誘電体窓の前記区域ごとに少なくとも１以上備えられている、ことを特徴とする。

好ましくは、前記加熱手段は、
前記誘電体窓の側面に対向して配置された複数のヒータから構成され、
前記制御手段によって制御され、
前記誘電体窓の周縁部を、各ヒータに対して独立に設定された発熱量で加熱する、ことを特徴とする。

好ましくは、前記加熱手段と前記誘電体窓との間には、マイクロ波を遮断し、かつ、前記加熱手段の前記輻射線を透過する窓が備えられている、ことを特徴とする。

好ましくは、前記冷却手段は、複数の区域に分割された前記誘電体窓の該区域ごとに熱媒体の導入口と排出口を有することを特徴とする。

さらに好ましくは、前記冷却手段は、前記制御手段によって制御され、前記区域ごとに独立に設定された流量で前記熱媒体を流通させることを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置および誘電体窓の温度調節機構によれば、プラズマ処理に用いる誘電体窓の温度分布を均一化し、良好なプラズマ処理特性を実現することができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す概略図である。 冷却ブロックを処理容器の外側から見た平面図である。 保持リングの構造を示す斜視図である。 保持リングの断面の拡大図である。 保持リングを誘電体窓側から見た部分平面図である。 ランプヒータの構造を示す斜視図である。 ラジアルラインスロットアンテナの平面図である。 誘電体窓の温度制御態様（冷却ブロックによる温度制御）を示す図である。 誘電体窓の温度制御態様（保持リングによる温度制御）を示す図である。 ３種類の加熱装置（短波長赤外線、中波長赤外線、カーボン（遠赤外線））の特性を対比して示す図である。

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し、その説明は繰り返さない。

図１に示すように、プラズマ処理装置１は、処理容器（チャンバ）２、アンテナ４、導波管５、冷却ブロック６、基板保持台７、排気ポート８ａ、真空ポンプ８ｂ、高周波電源９、ゲート１１、温度センサ１６、カバー１７、ガス供給装置１８を備える。

処理容器２は、下部容器１２、保持リング（アッパープレート）１５、誘電体窓（シャワープレート）３を備える。

処理容器２は密封可能に構成される。処理容器２を密封することで、処理容器２の内部の圧力を所定の値に保つことが可能となる。また、処理容器２を密封することで、処理容器２の内部で生じたプラズマを処理容器２の内部に封止することが可能となる。

下部容器１２は、Ａｌ等の金属からなる。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。また、下部容器１２の内側の底部には、基板保持台７が組み付けられている。

保持リング（アッパープレート）１５は、Ａｌ等の金属からなる。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。保持リング（アッパープレート）１５は、下部容器１２の上に組み付けられている。保持リング１５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（張り出し部１５ａ）を有している。張り出し部１５ａと連続した段差（平面部１５ｂ）は、誘電体窓３の下面周縁部を支持している。

また、保持リング１５は、誘電体窓３の周縁部を側面より加熱する手段である加熱装置（ここではランプヒータ１５１）を内部に複数備える。また、保持リング１５は流路１５８を内部に備える。流路１５８内に熱媒体を流通させることにより、保持リング１５の過熱が防がれる。

誘電体窓３は、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などのマイクロ波を透過させる誘電体材料からなる。誘電体窓３はアンテナ４から供給されたマイクロ波を処理容器２の内部へ透過させる。また、誘電体窓３は、保持リング１５に嵌合されて処理容器２の蓋としての役割も果たす。

誘電体窓（シャワープレート）３は、カバープレート３ａ、ベースプレート３ｂを備える。ベースプレート３ｂは、多数のノズル開口部３ｃ、凹状の溝３ｄ、ガス流路３ｅを備える。ノズル開口部３ｃと、溝３ｄと、ガス流路３ｅとは連通している。ベースプレート３ｂにカバープレート３ａを組み付けた状態において、ガス供給装置１８から供給されたプロセスガスは、ガス流路３ｅ、溝３ｄを経由して、ノズル開口部３ｃから、誘電体窓３直下の空間Ｓ中に濃度分布が均一となるよう供給される。

アンテナ４は導波部４ａ、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）４ｂ、遅波板４ｃからなる。アンテナ４は、誘電体窓３と結合している。より詳しくは、アンテナ４のラジアルラインスロットアンテナ４ｂが、誘電体窓３のカバープレート３ａに密接している。導波部４ａは冷却ブロック６と一体となる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とラジアルラインスロットアンテナ４ｂとの間に配置され、マイクロ波の波長を圧縮する役割を果たす。

導波管５は、アンテナ４に接続されている。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。外側導波管５ａはアンテナ４の導波部４ａに接続されている。内側導波管５ｂはラジアルラインスロットアンテナ４ｂに結合されている。

冷却ブロック６（いわゆる冷却ジャケット）は、アンテナ４の上に設けられている。冷却ブロック６は、内部に熱媒体の冷却流路６ａを複数備える。冷却効率を上げるために、冷却ブロック６は、導波部４ａと一体に形成されている。冷却流路６ａ内を所定の温度まで冷却された熱媒体が流通することで、アンテナ４や誘電体窓３の過熱が防がれる。冷却流路６ａは、冷却ブロック６の内部において全体に行き渡るように形成されている。例えば、冷却ブロック６がアンテナ４の形状に対応して円盤状であるときは、図２に示すように円の中心部と周縁部を結ぶようにして、放射状に複数の冷却流路６ａが等間隔で配置される。

温度センサ１６は、導波管５の周囲に必要な数が設けられている。温度センサ１６は、シャワープレート３やアンテナ４等の温度を検出する。温度センサ１６は、例えばファイバセンサ等からなる。

カバー１７は、冷却ブロック６と、アンテナ４とを含む処理容器２の上部全体を覆うようにして取り付けられている。

次に、プラズマ処理装置１の動作について説明する。プラズマ処理を行う際、処理容器２内は、真空ポンプ８ｂによって減圧され、真空状態にされる。基板保持台７には、被処理基板Ｗが固定されている。

ガス供給装置１８から、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、必要に応じて例えばＣ５Ｆ８などのプロセスガスが、ガス流路１８ａへ供給される。ガスはガス流路３ｅ、溝３ｄを経由して、ノズル開口部３ｃから誘電体窓３直下の空間Ｓへ濃度分布が均一となるよう供給される。

マイクロ波は、マイクロ波源から導波管５を通して供給される。そして、マイクロ波は導波部４ａとラジアルラインスロットアンテナ４ｂとの間を径方向に透過し、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂのスロットより放射される。

供給されたマイクロ波は、空間Ｓに供給されているガスを励起し、プラズマを発生させる。このようにして、基板保持台７に設置した被処理基板Ｗにプラズマ処理を施すことができる。プラズマ処理装置１によって行われる処理としては、例えば、いわゆるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による被処理基板Ｗ上への絶縁膜などの成膜が挙げられる。プラズマ処理が終了すると、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が繰り返され、所定枚数の基板に対して所定の基板処理が行われる。

プラズマ処理が行われるとき、誘電体窓３中に熱が蓄積し、誘電体窓３及びその周辺部は高温になる。このため、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの誘電体材料からなる誘電体窓３、及びＡｌなどの材料からなる保持リング１５は意図せずに熱膨張してしまう。Ａｌ等からなる保持リング１５の熱膨張係数はＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの誘電体材料からなる誘電体窓３の熱膨張係数よりも大きい。このため、温度が高くなるほど、誘電体窓３の側面と保持リング１５との間の隙間は拡大する。

過熱を防ぐため、誘電体窓３は、冷却流路６ａにより冷却されているが、プラズマを形成する際の発熱により、その温度は通常約１６０〜１７０℃に維持されている。一方、保持リング１５は、保持リング１５の空間Ｓを囲む壁部分に堆積物が付着することを防ぐ為に、通常１２０〜１３０℃の範囲で温度調節されている。このとき、誘電体窓３と保持リング１５との間には、およそ３０〜５０℃の温度差が存在する。このため、温度が高い誘電体窓３から保持リング１５へ向けて、熱の移動が起こる。

この熱の移動は、主に保持リング１５に直接に接触している誘電体窓３の下面周縁部において起こる。この結果、誘電体窓３の中央部と周縁部との間に温度差が生じる。この温度差は、空間Ｓにおいて生成されるプラズマの密度の偏りや、誘電体窓３の熱歪の原因となる。

ここで、保持リング１５の内部には、誘電体窓３の周縁部を側面より加熱する手段であるランプヒータ１５１が備えられている。ランプヒータ１５１が誘電体３の周縁部を側面方向から加熱することで、誘電体窓３における半径方向の均一な温度分布が実現される。このようにして誘電体窓３内の温度差が解消され、空間Ｓにおいて生成されるプラズマの密度の偏りや、誘電体窓３の熱歪が防がれる。

また、冷却ブロック６は、プラズマ処理装置１における発熱部位の一つであるアンテナ４上に設置されている。誘電体窓３は、ラジアルスロットアンテナ４ｂを介して冷却される。誘電体窓３と、アンテナ４とが同時に冷却されるため、冷却が効率よく行われる。さらに、装置内の他の部分が過度に冷却されることを防ぐことができる。

さらに、冷却手段である冷却ブロック６の冷却流路６ａと、加熱手段である保持リング１５のランプヒータ１５１と、温度検出手段である温度センサ１６は、それぞれが複数備えられている。温度センサ１６により検出された温度は、制御手段に反映される。制御手段が複数の冷却手段及び複数の加熱手段を各々独立に制御することによって、誘電体窓３内の温度分布をより均一なものとすることができる。

さらに、温度センサ１６以外に、別途、保持リング１５の温度を検出する温度検出手段が一又は二以上備えられていてもよい。制御手段は、各温度検出手段により検出された各部分の温度に応答して、複数の冷却装置及び複数の加熱手段を制御する。このようにしてより精密に、プラズマ処理装置１全体が所定の温度かつ温度分布が均一な状態に保たれる。

次に、保持リング１５の構造について、図３、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながらより詳細に説明する。図３に示すように、保持リング１５は加熱手段としてランプヒータ１５１を備え、冷却手段として流路１５８を備える。加熱手段は誘電体窓３の周縁部を加熱する役割を果たす。冷却手段は、保持リング１５を必要に応じて冷却し、所定の温度に調節する役割を果たす。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、保持リング１５の内部には、締結用のボルト溝１５０、ランプヒータ１５１用の複数の貫通孔１５７ａ（貫通孔１５７ａの集合体を孔１５７と示す）、及び熱媒体の流路１５８が形成されている。ランプヒータ１５１は保持リング１５に形成されたランプヒータ用の溝に挿入されている。ランプヒータ１５１の輻射熱放出面は、孔１５７の近傍に配置されている。

図３に示すように、加熱手段としてのランプヒータ１５１は、保持リング１５の外側から埋め込まれるような形で、等間隔に１２個配置されている。ランプヒータ１５１は、保持リング１５の中心を対称中心として点対称に、かつ半径方向に対して所定角度傾けられて配置されている。ランプヒータ１５１は、非接触式の赤外線ヒータ、例えば短波長赤外線ヒータであり、カーボンヒータでもよい。ランプヒータ１５１の輻射熱放出面は、保持リング１５の内側の側面に接している。

保持リング１５のランプヒータ１５１の輻射熱放出面と接している部分には、複数の孔１５７が形成されている。孔１５７は、所定のピッチで近接して形成された複数の貫通孔１５７ａからなる。孔１５７は、ランプヒータ１５１から発せられる短波長赤外線がその貫通孔１５７ａを透過するように、ランプヒータ１５１の配設位置に対応して、複数箇所（具体的にはランプヒータの数に対応した計１２箇所）に設けられている。

ここで、貫通孔１５７ａのサイズは、短波長赤外線を透過させ、かつ、マイクロ波を透過させないサイズであることが好ましい。すなわち、短波長赤外線の波長よりも大きく、かつ、マイクロ波の波長よりも小さい直径を有することが好ましい。例えば、直径６ｍｍ、深さ５ｍｍの円柱形状の貫通孔１５７ａが６−７ｍｍのピッチで配置される。この場合に、赤外線を透過させてマイクロ波を透過させない特性を示すことが確認されている。

貫通孔１５７ａの形状について、円柱である必要はなく、孔の断面が四角であったり、枠外へ向かうほど拡径または縮径されるテーパ状でもよい。テーパ状の場合は、孔断面の径の最小値が、短波長赤外線を透過させ、マイクロ波を透過させないサイズであることで、赤外線を透過させてマイクロ波を透過させない特性を示すことが確認されている。

図３及び図４Ａに示すように、冷却手段として、保持リング１５内に２本の流路１５８が設けられている。流路１５８内に所定の温度の熱媒体を流すことにより、保持リング１５は冷却される。熱媒体入口１５９ａより流路１５８へ供給された熱媒体は、保持リング１５内を流通し、熱媒体出口１５９ｂより排出される。

ここで、保持リング１５に備えられた加熱手段、冷却手段、及び孔１５７の機能について詳しく述べる。プラズマ処理装置１においてプラズマ処理が行われる際、誘電体窓３の周縁部の温度が低下することは先に述べた通りである。このとき、ランプヒータ１５１が誘電体３の周縁部を側面方向から加熱することで、誘電体窓３における半径方向の温度分布を均一にすることができる。

貫通孔１５７ａは、ランプヒータ１５１から発せられる短波長赤外線を透過させ且つマイクロ波を透過させない程度の直径を有する。ここでは、貫通孔１５７ａは該短波長赤外線の波長よりも大きく且つマイクロ波の波長よりも小さい直径を有する円柱形状に形成されている。このため、ランプヒータ１５１から発せられる短波長赤外線は貫通孔１５７ａを透過する。このため、ランプヒータ１５１は、保持リング１５に妨げられることなく誘電体窓３を直接加熱することができる。一方、導波管５を通じて処理容器２内に供給されるマイクロ波は、保持リング１５の内壁で反射され、保持リング１５の枠内に閉じ込められる。このようにして、マイクロ波の損失を防ぎながら、ランプヒータ１５１によって誘電体窓３の周縁部を効率よく加熱することが可能となる。

一方、流路１５８内には必要に応じて所定の温度の熱媒体が流され、保持リング１５が冷却されている。このとき、熱媒体入口１５９ａより流路１５８へ供給された熱媒体は、熱を奪いながら保持リング１５内を流通し、熱媒体出口１５９ｂより排出される。熱媒体の温度は、保持リング１５内を流通するうちに少しずつ上昇する。このため、熱媒体入口１５９ａ付近を流通する熱媒体と、熱媒体出口１５９ｂを流通する熱媒体とでは、その温度に差が生じてしまう。この結果、保持リング１５の周方向に沿って温度差が発生し得る。先に述べたとおり、誘電体窓３の周縁部と保持リング１５との間では熱の移動が起こる。このため、保持リング１５の周方向に沿って発生し得る温度差は、誘電体窓３の周縁部の温度分布の偏りの原因となるおそれがある。

ここで、図３に示すように、ランプヒータ１５１は保持リング１５の周方向に沿って等間隔に複数配置されている。制御手段は、複数備えられた温度センサ１６によって検出された誘電体窓の各部分の温度に応答し、個々のランプヒータ１５１の発熱量を独立に制御する。個々のランプヒータ１５１が、誘電体窓３の周縁部に生じた温度差を補填することにより、誘電体窓３の温度分布をより均一にすることができる。

なお、好ましくは、保持リング１５の表面は鏡面仕上げされている。鏡面仕上げされた保持リング１５の表面は、ランプヒータ１５１より発せられた短波長赤外線を反射する。このようにすることで、ランプヒータ１５１は、流路１５８による保持リング１５の冷却を妨げることなく、より効率よく誘電体窓３を加熱することができる。

さらに誘電体窓３の、孔１５７を介してランプヒータ１５１に対向する面、すなわち誘電体窓３の側壁部を適度に粗面化するか、又はランプヒータ１５１から発せられる輻射熱を効率よく吸収する材料で被覆してもよい。このようにすることで、誘電体窓３の周縁部の、より効率よい加熱が可能となる。このとき、被覆に用いる材料はマイクロ波の透過に影響を与えないものが好ましい。

図５に示すように、ランプヒータ１５１は、片端接続式のツインチューブ構造を有する。出射方向の反対側には、放射赤外線を外に逃がさないように、反射膜Ｒ（例えば金反射膜）が設けられている。

図６に示すように、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂには、マイクロ波を透過させるスロット４０ａ、４０ｂが、対称的かつ同心円状に配列されている。スロット４０ａ、４０ｂは、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂの中心から径方向に、遅波板４ｃにより圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で形成されており、偏波面を有する。また、スロット４０ａとスロット４０ｂはそれぞれ直交する態様で形成されている。この結果、スロット４０ａ、４０ｂより放出されるマイクロ波は、２つの直交する偏波成分を含む円偏波を形成する。

なお、ここでは加熱手段として短波長赤外線ヒータであるランプヒータ１５１が用いられたが、他の短波長赤外線ヒータが用いられてもよい。また、遠赤外線のカーボンヒータや、中波長赤外線を用いたヒータ、ハロゲンヒータなどが用いられてもよい。また、電熱線等の抵抗加熱ヒータやその他の非接触式の加熱装置も、用途などに応じて用いられることができる。

なお、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１にはさらに、プロセスガスの供給や高周波電源の動作を制御する電子制御装置が設けられている。温度コントローラ６０１、６０２は、該電子制御装置との間で通信可能であり、この電子制御装置からの情報に基づいて温度制御を行うことができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置１によれば、誘電体窓３と被処理基板Ｗとの間の空間Ｓにおいて、所望の均一な基板処理を行うことが可能となる。可能な基板処理の例としては、例えばプラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理、またはプラズマＣＶＤ処理、プラズマエッチング処理等がある。

なお、プラズマ処理が行われる際、保持リング１５は、少なくとも一の基板を処理する間、一定の温度に保たれることが望ましい。このようにすることで、一の基板を処理する間に保持リング１５や誘電体窓３に熱歪が生じるのを防ぐことができる。この結果、基板を処理する間に処理容器内へ導入するマイクロ波が変動することが防がれ、より均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。上記一定の温度は、処理温度付近に設定するのが好ましい。ＣＶＤ処理では、例えば１５０℃に設定される。この場合、誘電体窓３への膜の付着を抑制できる効果もある。加えて、下部容器１２が加熱可能なように構成されていてもよく、このとき後述する本発明の温度調節機構が用いられてもよい。

次に、本発明に係る誘電体窓の温度調節機構の実施の形態について、図７を参照しながら説明する。この誘電体窓は、先に説明した本発明に係るプラズマ処理装置の実施の形態における、誘電体窓３に相当する。誘電体窓３を用いたプラズマ処理装置は、本発明に係るプラズマ処理装置の実施の形態であるプラズマ処理装置１と同じである。

まず、冷却ブロック６を用いた冷却制御の一態様について図面を参照しながら説明する。冷却ブロック６は、図７に示すように、冷却流路６ａ、温度センサ１６、熱媒体の流入路１７１ａ、熱媒体の流出路１７１ｂを備える。冷却流路６ａ、温度センサ１６、熱媒体の流入路１７１ａ、及び熱媒体の流出路１７１ｂは、誘電体窓３を扇形に６等分した各部分に対応した位置に備えられている。図７中の１点鎖線は、放射状に形成されている冷却流路６ａの一つを示す。他の冷却流路６ａは、理解を容易にするために省略されている。

冷却ブロック６の冷却流路６ａ内を熱媒体が流通することにより、冷却ブロック６の温度が調整される。この結果、冷却ブロック６の下面に接するアンテナ４の温度と、アンテナ４の下面に接する誘電体窓３の温度とが調整される。

各々の冷却流路６ａは、アンテナ４内側の中心付近にある流入路１７１ａから周縁部にある排出路１７１ｂに向かって熱媒体が流通するよう形成されている。熱媒体はチラーユニット５００から供給される。加熱器５２１（例えば電気ヒータなど）は、熱媒体を所定の温度に加温する役割を果たす。所定の温度に加温された熱媒体はマニホールド５３１ａで６つの冷却流路６ａに分配される。各々の冷却流路６ａ内を流通した熱媒体は、マニホールド５３１ｂにより集束される。マニホールド５３１ｂに集束される前に備えられた流量調節バルブ５４１ｂにより、各々の冷却流路６ａを流れる熱媒体の流量が調節される。熱媒体はマニホールド５３１ｂから再度チラーユニット５００へと送られる。すなわち、熱媒体は、チラーユニット５００と冷却流路６ａとを循環しながら、誘電体窓３を冷却する。熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、またはエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体が用いられる。

ここで、先に述べたように、冷却ブロック６は、誘電体窓３を扇形に６等分したそれぞれの部分に対応する位置に温度センサ１６を備える。温度コントローラ６０１は、所定時間毎に、温度センサ１６により検出された温度をもとに温度制御を行うように設定されている。温度コントローラ６０１による温度制御は、各温度センサ１６に対応したそれぞれの部分に対して独立に行われる。温度コントローラ６０１が流量調節バルブ５４１ｂへバルブの開閉の指示を出すことにより、各温度センサ１６の位置に対応する冷却流路６ａの熱媒体の流量が制御される。例えば、一の温度センサ１６により検出された温度が、他の温度センサ１６により検出された温度よりも高い場合は、複数の冷却流路６ａのうち一の温度センサ１６に対応する部分に流れる熱媒体の量が増やされる。この結果、冷却ブロック６の対応する部分からより多くの熱が奪われ、温度差が解消される。このようにして、冷却ブロック６の下面に接するアンテナ４の温度と、アンテナ４の下面に接する誘電体窓３の温度とが部分毎に調整され、温度分布が均一化される。一方、温度センサ１６で検出した結果が、全体的に所定の温度よりも高い、もしくは低い場合は、温度コントローラ６０１から加熱器５２１（例えば電気ヒータなど）へ温度制御の指示が行われ、熱媒体の温度が調整される。

なお、冷却ブロック６の形状は、アンテナ４に対応する形状であることが好ましい。冷却ブロック６の冷却流路６ａは複数に分けて全体的に配置されていればよい。冷却流路６ａの形状は、実施の形態において示した放射状に限られない。また、冷却流路６ａの配置場所や数も、プラズマ処理装置１の構造やプラズマ処理の種類などに応じて、任意に設定されることができる。温度センサ１６は、複数ある冷却流路６ａのそれぞれに対応した位置に備えられていることが好ましい。このようにすることで、誘電体窓３のより精密な温度制御が容易になる。

または、誘電体窓３を冷却する方法として、冷却ブロック６に加えて、誘電体窓３内に冷却流路が設けられてもよい。具体的には、外部と連通し熱媒体を流通可能な流路が誘電体窓３内に設けられる。この流路内を熱媒体が流通することで、誘電体窓３の直接冷却が可能となる。この際、熱媒体の流路は誘電体窓３内の全体に設けられることが好ましい。複数の冷却手段を併用することで、誘電体窓３の温度上昇がより効果的に防止される。

次に、保持リング１５を用いた温度制御（加熱および冷却）の一態様について図面を参照しながら説明する。この保持リング１５は、図３において示した本発明に係るプラズマ処理装置の実施の形態における保持リング１５と同じである。保持リング１５は、冷却手段と、複数の加熱手段とを備える。冷却手段は保持リング１５を冷却する役割を果たす。加熱手段は誘電体窓３を加熱する役割を果たす。さらに、保持リング１５またはその近傍には、複数の温度センサ１６が配置されている。

図３に示すように、保持リング１５内には、冷却手段として２本の流路１５８が設けられている。２本の流路１５８はそれぞれ、熱媒体入口１５９ａと、熱媒体出口１５９ｂとを有する。所定の温度に調整された熱媒体が流路１５８内に流通し、保持リング１５を冷却する。

図３に示すように、保持リング１５は、加熱手段として複数のランプヒータ１５１を備えている。複数のランプヒータ１５１は、保持リング１５の周方向に沿って均等に配置されている。

さらに、図８に示すように、保持リング１５の近傍には複数の温度センサ１６が配置されている。温度コントローラ６０２は、所定時間毎に、温度センサ１６により検出された温度をもとに温度制御を行うように設定されている。

保持リング１５内を流通する熱媒体は、図８に示すように、チラーユニット５００から供給される。熱媒体は、加熱器５２２（例えば電気ヒータなど）で所定の温度に調整される。所定の温度に調整された熱媒体はマニホールド５３２ａによって２つに分配される。熱媒体は熱媒体入口１５９ａへ供給され、各々の流路１５８を経由して、熱媒体出口１５９ｂより排出される。熱媒体は２つに分配された状態で流量調節バルブ５４２ｂを通り、マニホールド５３２ｂにより集束される。集束された熱媒体は、再度チラーユニット５００へ送られる。すなわち、熱媒体は、チラーユニット５００と保持リング１５の流路１５８を循環しながら保持リング１５を冷却する。熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、またはエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体が用いられる。

先に述べたように、保持リング１５内を流通する熱媒体の温度は、保持リング１５内を流通する間に変化する。このため、保持リング１５には周方向に沿って温度差が生じ得る。この温度差によって、保持リング１５によって支持されている誘電体窓３の周縁部にも、周方向に沿って温度差が生じ得る。

ここで、保持リング１５の近傍には、複数の温度センサ１６が配置されている。複数の温度センサ１６はそれぞれ、対応する各部分の温度を検出する。一の温度センサ１６が、他の温度センサ１６よりも低い温度を検出した場合、温度コントローラ６０２は、該一の温度センサ１６に対応するランプヒータ１５１の発熱量を増やすよう指示を出す。このようにして、誘電体窓３の周方向に沿って温度差が生じるのを防ぐことができる。

一方、複数の温度センサ１６によって検出された温度が、全体的に所定の温度よりも高い、もしくは低い場合がある。例えば、温度が１２０〜１３０℃の範囲で制御されている場合において、複数の温度センサ１６が１３０℃を超える温度を検出した場合などが挙げられる。この場合、温度コントローラ６０２から複数のランプヒータ１５１に、発熱量を減らすよう指示が出される。または、温度コントローラ６０２から流量調節バルブ５４２ｂへ、流路１５８を流通する熱媒体の量を増やすよう指示が出されてもよい。このようにして、保持リング１５の過熱が防がれる。

なお、ここでは加熱手段として短波長赤外線ヒータであるランプヒータ１５１が用いられたが、他の短波長赤外線ヒータが用いられてもよい。又は、遠赤外線のカーボンヒータや、中波長赤外線を用いたヒータやハロゲンヒータなどが用いられてもよい。また、電熱線等の抵抗加熱ヒータやその他の非接触式の加熱装置も、用途などに応じて用いられることができる。

（実施例）
図９は、３種類の加熱装置（短波長赤外線、中波長赤外線、カーボン（遠赤外線））の特性を対比して示したものである。管断面サイズは、図４のランプヒータ１５１の場合、ＸとＹの積で表される。

温度安定時間は応答性に関連する。温度安定時間が短い方が温度制御しやすく、加熱装置に適していることを表す。平均寿命は長い方が、加熱装置の交換回数が少なく、メンテナンス時間が少なくて済むので好ましい。これらを考慮すると、加熱手段はカーボンを熱源とした加熱装置であることが望ましい。しかし、カーボンを熱源に用いた加熱装置はサイズが大きいため、プラズマ処理装置１の大きさによっては使用に適さない場合がある。このような場合は、実施の形態で例に挙げたランプヒータ１５１など、短波長赤外線を熱源に用いた加熱装置が用いられてもよい。

なお、実施の形態で説明したプラズマ処理装置および誘電体窓の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、プラズマ処理に用いられるガス、誘電体窓の材質及び形状、加熱冷却手段及びその配置方法、処理を施す基板の種類等は、任意に選択されることができる。

本出願は、２００８年７月４日に出願された、日本国特許出願２００８−１７５５８９号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２００８−１７５５８９号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

１ プラズマ処理装置
２ 処理容器（チャンバ）
３ 誘電体窓（シャワープレート）
３ａ カバープレート
３ｂ ベースプレート
３ｃ ノズル開口部
３ｄ 溝
３ｅ ガス流路
４ アンテナ
４ａ 導波部
４ｂ ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）
４ｃ 遅波板
５ 導波管
５ａ 外側導波管
５ｂ 内側導波管
６ 冷却ブロック
６ａ 冷却流路
７ 基板保持台
８ａ 排気ポート
８ｂ 真空ポンプ
９ 高周波電源
１１ ゲート
１２ 下部容器
１５ 保持リング（アッパープレート）
１５ａ 張り出し部
１６ 温度センサ
１７ カバー
１８ ガス供給装置
１８ａ ガス流路
４０ａ、ｂ スロット
１５０ ボルト溝
１５１ ランプヒータ
１５７ 孔
１５７ａ 貫通孔
１５８ 流路
１５９ａ 熱媒体入口
１５９ｂ 熱媒体出口
１７１ａ 流入路
１７１ｂ 流出路
５００ チラーユニット
５２１、５２２ 加熱器
５３１、５３２ マニホールド
５４１ｂ、５４２ｂ 流量調節バルブ
６０１、６０２ 温度コントローラ
Ｓ 空間
Ｗ 被処理基板

Claims (14)

1. 誘電体材料で形成された誘電体窓を備え、内部を減圧可能な処理容器と、
   前記誘電体窓を通じて前記処理容器の内部にマイクロ波を供給するアンテナと、
   プロセスガスを前記処理容器内に供給するガス供給手段と、
   前記誘電体窓の周縁部をその側方から輻射線により加熱する加熱手段と、
   前記誘電体窓を冷却する冷却手段と、
   を備える、プラズマ処理装置。
2. さらに、前記誘電体窓の温度を検出するための温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された温度に応答して、前記加熱手段及び／又は前記冷却手段を制御するための制御手段と、を備える、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記温度検出手段は複数のセンサから構成され、前記センサは複数の区域に分割された前記誘電体窓の前記区域ごとに少なくとも１以上備えられていることを特徴とする、
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記加熱手段は、
   前記誘電体窓の側面に対向して配置された複数のヒータから構成され、
   前記ヒータは前記制御手段によって制御され、
   前記誘電体窓の周縁部を、各ヒータに対して独立に設定された発熱量で加熱する、ことを特徴とする、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記加熱手段と前記誘電体窓の間には、前記マイクロ波を遮断し、かつ、前記加熱手段の前記輻射線を透過する窓が備えられている、ことを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記冷却手段は、複数の区域に分割された前記誘電体窓の該区域ごとに熱媒体の導入口と排出口を有することを特徴とする、
   請求項４に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記冷却手段は、前記制御手段によって制御され、前記誘電体窓の前記区域ごとに独立に設定された流量で前記熱媒体を流通させることを特徴とする、
   請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記加熱手段を保持する保持部材は、前記保持部材の温度を所定の温度に維持するための温度調整手段を備えることを特徴とする、
   請求項４に記載のプラズマ処理装置。
9. 誘電体窓の温度調節機構であって、
   前記誘電体窓の周縁部をその側方から輻射線により加熱する加熱手段と、
   前記誘電体窓を冷却する冷却手段と、
   前記誘電体窓の温度を検出するための温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された温度に応答して、前記加熱手段及び／又は前記冷却手段を制御するための制御手段と、
   を備えることを特徴とする、誘電体窓の温度調節機構。
10. 前記温度検出手段は複数のセンサから構成され、前記センサは複数の区域に分割された前記誘電体窓の前記区域ごとに少なくとも１以上備えられている、ことを特徴とする、
    請求項９に記載の誘電体窓の温度調節機構。
11. 前記加熱手段は、
    前記誘電体窓の側面に対向して配置された複数のヒータから構成され、
    前記制御手段によって制御され、
    前記誘電体窓の周縁部を、各ヒータに対して独立に設定された発熱量で加熱する、ことを特徴とする、
    請求項１０に記載の誘電体窓の温度調節機構。
12. 前記加熱手段と前記誘電体窓との間には、マイクロ波を遮断し、かつ、前記加熱手段の前記輻射線を透過する窓が備えられている、ことを特徴とする、
    請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の誘電体窓の温度調節機構。
13. 前記冷却手段は、複数の区域に分割された前記誘電体窓の該区域ごとに熱媒体の導入口と排出口を有することを特徴とする、
    請求項１１に記載の誘電体窓の温度調節機構。
14. 前記冷却手段は、前記制御手段によって制御され、前記区域ごとに独立に設定された流量で前記熱媒体を流通させることを特徴とする、
    請求項１３に記載の誘電体窓の温度調節機構。

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