JP4256031B2 - 処理装置およびその温度制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，処理装置およびその温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，半導体装置やＬＣＤ基板などの製造工程においては，プラズマエッチング装置などの各種処理装置が使用されている。例えば，プラズマエッチング装置は，真空処理室内において所定の処理ガスをプラズマ化し，載置台上に載置された半導体ウェハやガラス基板などの被処理体に対してエッチング処理を施すものである。そして，処理にあたっては，プラズマによる被処理体の温度上昇を抑えたり，あるいは，エッチングのアスペクト比を高めたり，エッチング形状を整えたりするために，被処理体を所定温度に維持している。
【０００３】
被処理体の温度管理は，一般に，載置台に設けられた冷却機構により行われている。かかる冷却機構は，冷媒を載置台内に巡らされた冷媒循環路に送り込み，その冷媒が熱を吸収することにより被処理体を冷却する構成を採用している。そして，冷却回路により温調された冷媒タンク内の冷媒はポンプにより冷媒循環路に送り込まれ，冷媒循環路から戻された冷媒は冷却回路により温調され冷媒タンクに送り込まれる。そして，冷媒タンク内あるいは冷媒タンクから冷媒循環路に送り込まれる冷媒の温度を監視して，その温度が所定温度になるように温度制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，冷媒の温度は，被処理体に負荷される熱量，すなわち冷媒循環路内の冷媒が吸収する熱量とは無関係に制御されているので，プラズマ処理によって被処理体に加わる熱量が増加すると，熱容量が飽和するまで被処理体の温度が上昇してしまい，その結果，被処理体に均一な処理を施せないという問題点がある。
【０００５】
本発明は，従来の技術が有する上記問題点に鑑みて成されたものであり，本発明の目的は，上記問題点およびその他の問題点を解決することが可能な，新規かつ改良された処理装置およびその温度制御方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，冷媒循環路を備えた載置台を処理室内に有するとともに，冷媒循環路を循環する冷媒の熱量制御および／または流量制御を行う温調回路を備えた処理装置の温度制御方法であって，冷媒循環路の入口温度と出口温度の実測差分値に基づいて，冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことにより，載置台の温度制御を行うことを特徴とする処理装置の温度制御方法が提供される。
【０００７】
本発明によれば，冷媒循環路内で熱を吸収した冷媒の温度である出口温度から熱を吸収する前の冷媒の温度である入口温度を減算して，冷媒が載置台を介して被処理体から奪った熱の熱量値である実測差分値を算出することができ，該実測差分値に基づく冷媒の熱量制御や流量制御を行うことができる。その結果，処理時に被処理体に加わる熱量が変化しても，該熱量変化に応じて被処理体が一定温度に保たれるように冷媒の温度制御を行うことができるので，被処理体の温度管理を的確に行え，被処理体に均一な処理を施すことができる。
【０００８】
また，例えば，処理に応じて，冷媒循環路の入口温度と出口温度との目標差分値を予め決定し，実測差分値が目標差分値に追随するように冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことが好ましい。かかる構成によれば，予め各プロセスに応じた理想的な入口温度と出口温度との差である目標差分値を設定し，実測差分値が目標差分値と実質的に同一になるように冷媒の温度制御を行えるので，被処理体の温度管理をプロセスに応じて的確に行うことができる。
【０００９】
さらに，例えば，処理に応じて，目標差分値と温調回路への冷媒の目標戻り温度との関係を予め決定し，温調回路への冷媒の実測戻り温度が目標戻り温度に追随するように冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことが好ましい。かかる構成によれば，目標差分値と目標戻り温度との関係を，例えば被処理体の設定温度から目標差分値を減算した値と目標戻り温度とが同一になる関係とすれば，実測戻り温度が目標戻り温度に追従するように冷媒の熱量制御や流量制御を行うことにより，処理時の熱量変化に応じた冷媒の温度制御を確実に行うことができる。この際，さらに上記実測差分値が目標差分値に追従するようにフィードバックをかけながら冷媒の熱量あるいは流量制御を行えば，被処理体の温度管理をより厳密に行うことができる。
【００１０】
また，例えば，処理に応じて，目標差分値と温調回路からの冷媒の目標送り温度との関係を予め決定し，温調回路からの冷媒の実測送り温度が目標送り温度に追随するように冷媒の熱量制御および／または流量制御を行っても，被処理体の温度管理を厳密に行うことができる。
【００１１】
また，温調回路を構成するポンプなどの駆動手段をきめ細かく制御して冷媒の熱量制御や流量制御を安定して行い，かつ駆動手段のオン・オフに伴う突入電流の発生などを防止して消費電力の軽減を図るためには，例えば，温調回路をインバータ制御することが好ましい。
【００１２】
また，本発明の第２の観点によれば，処理室内にて被処理体を載置する載置台と，載置台に設けられた冷媒循環路と，冷媒循環路を循環する冷媒の熱量制御および／または流量制御を行う温調回路とを備えた処理装置において，冷媒循環路の入口温度を検出する入口温度検出手段と，冷媒循環路の出口温度を検出する出口温度検出手段と，冷媒循環路の入口温度と出口温度との実測差分値に基づいて温調回路を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする処理装置が提供される。
【００１３】
本発明によれば，入口温度検出手段と出口温度検出手段により冷媒循環路内で熱を吸収する前後の冷媒の温度である入口温度と出口温度とを求め，制御手段により出口温度から入口温度を減算して求められる冷媒が吸収した熱の熱量値である実測差分値に基づいて冷媒の熱量制御や流量制御を行うことができる。その結果，処理時の被処理体の熱量変化に応じて冷媒の温度制御を行えるので，被処理体の温度管理を的確に行うことができる。
【００１４】
また，被処理体の温度管理をより厳密に行うためには，例えば，さらに温調回路への冷媒の戻り温度を検出する戻り温度検出手段を備えて，制御手段により実測差分値に基づいて冷媒の戻り温度を制御したり，あるいは，さらに温調回路からの冷媒の送り温度を検出する送り温度検出手段を備えて，制御手段により実測差分値に基づいて冷媒の送り温度を制御することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら，本発明にかかる処理装置およびその温度制御方法を，プラズマエッチング装置およびその温度制御方法に適用した好適な実施の一形態について詳細に説明する。
【００１６】
（１）エッチング装置の全体構成
まず，エッチング装置１００の構成について概略すると，図１に示すように，気密な処理容器１０２内に形成された処理室１０４内には，被処理体，例えば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）Ｗを載置可能な載置台としての下部電極１０６が配置されている。下部電極１０６には，下部電極１０６を介してウェハＷを冷却して所定温度に維持するための冷媒循環路１０８が内装されている。冷媒循環路１０８には，後述の如く温調された冷媒としての第１冷却水ＣＷ１を冷媒循環路１０８内に供給するとともに，冷媒循環路１０８内を循環した第１冷却水ＣＷ１を回収して再び温調する本発明の中核を成す温調回路としての冷却回路１１０が接続されている。なお，冷却回路１１０の構成および第１冷却水ＣＷ１の温度制御については，以下で詳述する。
【００１７】
また，処理室１０４内には，下部電極１０６の載置面に対向して上部電極１１２が配置されている。かかる構成により，高周波電源１１４から出力された高周波電力を整合器１１６を介して下部電極１０６に印加すると，処理ガス供給源Ｇ１１８から流量調整バルブＭＦＣ１２０と上部電極１１２に形成された多数のガス吐出孔１１２ａとを介して処理室１０４内に導入された処理ガスがプラズマ化し，下部電極１０６上で所定温度に維持されたウェハＷにエッチング処理が施される。また，処理室１０４内のガスは，排気系１２２から排気される。
【００１８】
（２）冷却機構の構成
次に，本発明の中核を成す冷却回路１１０について詳述する。冷却回路１１０を構成する冷媒タンク１２４内には，後述の如く温調された第１冷却水ＣＷ１が蓄えられている。また，冷媒タンク１２４内には，第１冷却水ＣＷ１の加熱するためのヒータ１２６が設けられている。冷媒タンク１２４内の第１冷却水ＣＷ１は，本実施の形態にかかる第１インバータ回路１２８によりインバータ制御される第１循環ポンプ１３０により加圧され，冷媒供給経路１３２を介して下部電極１０６内の冷媒循環路１０８に送り出される。かかる構成によれば，第１インバータ回路１２８が供給電力の周波数制御を行い，第１循環ポンプ１３０を駆動するモータの回転数を適宜調整できるので，設定条件に応じた一定流量の第１冷却水ＣＷ１を冷媒循環路１０８と冷却回路１１０との間で循環させることができる。その結果，後述する第１冷却水ＣＷ１の温度制御を容易かつ正確に行うことができる。また，第１循環ポンプ１３０の揚水量は，制御器１３４が第１インバータ回路１２８を制御することにより，適宜調整される。
【００１９】
また，冷媒循環路１０８内を循環した第１冷却水ＣＷ１は，冷媒排出管１３６を介して冷却回路１１０に戻され，冷却器１３８で所定温度に温調された後，再び冷媒タンク１２４内に蓄えられる。冷却器１３８は，冷媒排出管１３６に介装され第１冷却水ＣＷ１を冷却する第１熱交換器１４０，第１冷却水ＣＷ１よりも低い温度の第２冷却水ＣＷ２が循環する第２熱交換器１４２，第１および第２熱交換器１４０，１４２内を通って第１および第２熱交換器１４０，１４２間で熱の受け渡しを行う第３冷却水ＣＷ３を循環させる熱交換路１４４から構成されている。また，熱交換路１４４には，第２インバータ回路１４６によりインバータ制御される第２循環ポンプ１４８と，開閉バルブ１５０が介装されている。
【００２０】
従って，制御器１３４の命令によって第２インバータ回路１４６が第２循環ポンプ１４８の揚水量を調整し，第２熱交換器１４２内で冷却された所定流量の第３冷却水ＣＷ３を熱交換路１４４内で循環させることにより，第１熱交換器１４０内の通過時に第１冷却水ＣＷ１の熱が吸収されて，第１冷却水ＣＷ１が所定温度に温調される。また，第１冷却水ＣＷ１の温度は，制御器１３４の命令により第２循環ポンプ１４８の揚水量を調整すれば適宜変更可能であり，第３冷却水ＣＷ３の流量を増やせば下がり，逆に流量を減らせば上がる。
【００２１】
かかる構成によれば，第１冷却水ＣＷ１の流量を変化させないで，第１冷却水ＣＷ１の温調を行うことができる。その結果，第１冷却水ＣＷ１の流量を一定に維持できるので，後述の第１冷却水ＣＷ１の温度制御に用いる演算を的確に行うことができる。また，第２循環ポンプ１４８は，インバータ制御されるので，第３冷却水ＣＷ３の迅速な流量制御により第１冷却水ＣＷ１の温度制御の応答性を向上でき，さらに第３冷却水ＣＷ３の効率的な流量調整により消費電力の軽減を図ることができる。
【００２２】
また，冷媒供給管１３２と冷媒排出管１３６には，それぞれに対応して，本実施の形態にかかる送り温度検出手段としての第１温度センサＴｈ１および入口温度検出手段としての第２温度センサＴｈ２と，出口温度検出手段としての第３温度センサＴｈ３および戻り温度検出手段としての第４温度センサＴｈ４が介装されている。第１温度センサＴｈ１は冷媒タンク１２４から送り出された直後の第１冷却水ＣＷ１の実測送り温度を検出し，第４温度センサＴｈ４は第１熱交換器１４０内に戻される直前の第１冷却水ＣＷ１の実測戻り温度を検出する。また，第２温度センサＴｈ２は冷媒循環路１０８内に供給される直前の第１冷却水ＣＷ１の実測入口温度を検出し，第３温度センサＴｈ３は冷媒循環路１０８から排出された直後の第１冷却水ＣＷ１の実測出口温度を検出する。また，第１〜第４温度センサＴｈ１〜Ｔｈ４で検出された各温度情報は，制御器１３４に伝達され，後述する第１冷却水ＣＷ１の温度制御に用いられる。
【００２３】
（３）ウェハＷの温度制御
次に，ウェハＷの温度制御について，図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず，処理開始前に，処理時のウェハＷの温度Ｔｓ，例えば−１０℃を制御器１３４に設定する（ステップＳ１００）。その後，制御器１３４は，第１温度センサＴｈ１で検出される実測送り温度が設定温度Ｔｓの−１０℃になるように，冷却器１３８を制御して第１冷却水ＣＷ１を温調する（ステップＳ１０２）。以下，後述するステップＳ１０８までのプラズマ処理前は，第１温度センサＴｈ１の検出温度に基づいて第１冷却水ＣＷ１の温調が行われる。
【００２４】
次いで，処理時に下部電極１０６に印加する予定の高周波の電力値を制御器１３４に設定する（ステップＳ１０４）。制御器１３４は，上記電力値に基づいて，予め求めておいた熱量算出用の一次近似式から処理時にウェハＷに負荷される熱量Ｑを算出する（ステップＳ１０６）。上記一次近似式は，熱量Ｑが処理装置のプラズマソースごとに異なるために，各プラズマソースごとに予め実験的に求めた電力値と熱量との関係から求める。
【００２５】
さらに，制御器１３４は，上記算出された熱量Ｑに基づいて下記の式（１）
ΔＴ＝Ｑ／ｇ×Ｃｐ×ρ …（１）
から冷媒循環路１０８の入口温度と出口温度との理論的な温度差である目標差分値ΔＴを算出し，設定する（ステップＳ１０８）。目標差分値ΔＴは，後述するプラズマ処理時の第１冷却水ＣＷ１の温度制御に用いられる。なお，式（１）中のｇは第１冷却水ＣＷ１の流量であり，Ｃｐは第１冷却水ＣＷ１の比熱であり，ρは第１冷却水ＣＷ１の密度である。従って，目標差分値ΔＴは，流量ｇが上述の如く一定流量に設定され，比熱Ｃｐおよび密度ρが第１冷却水ＣＷ１の成分により決定されるので，上記熱量Ｑ，すなわち下部電極１０６に印加する高周波の電力値から容易に算出することができる。なお，ここでは，目標差分値ΔＴを−３℃と仮定する。
【００２６】
目標差分値ΔＴが設定された後，第１冷却水ＣＷ１の温度制御を，第１温度センサＴｈ１の検出温度に基づく制御から，第４温度センサＴｈ４で検出される実測戻り温度Ｔｔｈ４に基づく制御に切り替える（ステップＳ１１０）。該温度制御は，上述のようにウェハＷの設定温度Ｔｓが−１０℃であり，目標差分値ΔＴが−３℃である場合，第４温度センサＴｈ４での実測戻り温度Ｔｔｈ４が
Ｔｔｈ４’＝Ｔｓ−ΔＴ
から算出される目標戻り温度Ｔｔｈ４’，すなわち−７℃になるように冷却器１３８を制御して第１冷却水ＣＷ１の温度調整を行うものである。その後，下部電極１０６に上記電力値の高周波を印加してプラズマを生成し，ウェハＷに対してエッチング処理を行う（ステップＳ１１２）。かかる構成によれば，ウェハＷに熱が負荷される直前に第４温度センサＴｈ４の実測戻り温度Ｔｔｈ４に基づく温度制御に切り替え，ウェハＷが加熱されないプラズマ処理前は第１温度センサＴｈ１の実測送り温度に基づいて温度制御を行うので，プラズマ処理前に過度に冷却された第１冷却水ＣＷ１が冷媒循環路１０８内に送り込まれず，ウェハＷあるいは下部電極１０６が冷え過ぎることを防止できる。以後，ステップＳ１１８までのプラズマ処理中は，第４温度センサＴｈ４の検出温度に基づいて第１冷却水ＣＷ１の温調が行われる。
【００２７】
また，プラズマ処理中は，第４温度センサＴｈ４の実測戻り温度Ｔｔｈ４を常時検出し，制御器１３４において検出温度Ｔｔｈ４が上記目標戻り温度Ｔｔｈ４’と同一，すなわち−７℃であるかを判断して（ステップＳ１１４），両温度が同一である場合には第１冷却水ＣＷ１の温度を維持したままで処理を行った後，処理を終了する（ステップＳ１１８）。
【００２８】
一方，第４温度センサＴｈ４の実測戻り温度Ｔｔｈ４が目標戻り温度Ｔｔｈ４’よりも高くなったり，あるいは低くなった場合には，制御器１３４の命令により冷却器１３８の冷却率を調整し，実測戻り温度Ｔｔｈ４が目標戻り温度Ｔｔｈ４’と同一の−７℃になるように第１冷却水ＣＷ１を温調する。ただし，冷却器１３８で冷却された第１冷却水ＣＷ１は，冷媒タンク１２４内に一時的に蓄えられた後に送り出され，さらに引き回された冷媒供給管１３２や冷媒排出管１３６を循環するので，第４温度センサＴｈ４で温度検出されるまでにタイムラグがある。従って，単に実測戻り温度に基づいて温度制御を行うと，第１冷却水ＣＷ１の温度が低下し過ぎてしまう。
【００２９】
そこで，第２および第３温度センサＴｈ２，Ｔｈ３で冷媒循環路１０８の入口温度と出口温度を検出し，制御器１３４において出口温度から入口温度を減算して実測差分値を算出し，該実測差分値が上記目標差分値ΔＴと同一になるようにフィードバック制御を行いながら，実測戻り温度に基づく温度制御を行う（ステップＳ１１６）。かかる構成により，第１冷却水ＣＷ１の温度の下がり過ぎを防止できるので，ウェハＷの温度を設定温度に維持することができ，均一な処理を施すことができる。なお，上記ステップＳ１１４とステップＳ１１６は，エッチング処理が終了するまで常時行われる。
【００３０】
エッチング処理終了後，実測戻り温度に基づく温度制御から，再び上記第１温度センサＴｈ１の実測送り温度に基づく温度制御に切り替える（ステップＳ１２０）。なお，複数のウェハＷを連続処理する場合には，最後のウェハＷの処理が終了した後に，上記実測送り温度に基づく制御に切り替える。
【００３１】
本実施の形態は，以上のように構成されており，熱を吸収した第１冷却水ＣＷ１の温度である実測戻り温度に基づいて第１冷却水ＣＷ１の温度制御を行うので，処理時にウェハＷに負荷された熱量が増加しても，熱量の増加分に追随して第１冷却水ＣＷ１を冷却することができ，ウェハＷの温度管理を精度良く行うことができる。また，実測差分値と目標差分値に基づくフィードバック制御を行いながら，上記温度制御を行うので，ウェハＷの温度変化を実質的に防止できる。
【００３２】
以上，本発明の好適な実施の一形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３３】
例えば，上記実施の形態において，第１冷却水の熱量制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されず，冷媒循環路を循環する冷媒の流量制御を行う場合にも本発明を適用することができる。かかる場合には，実測戻り温度に基づいて，冷媒循環路を循環させる所定の一定温度の冷媒の流量を調整すれば良い。
【００３４】
また，上記実施の形態において，実測戻り温度に基づいて第１冷却水の温度制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されず，実測戻り温度に代えて，実測送り温度に基づいて冷媒の制御を行う場合にも本発明を適用することができる。
【００３５】
また，上記実施の形態において，ウェハの温度を基準にして第１冷却水の温度制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されず，載置台の温度を基準にして冷媒の温度制御を行う場合にも本発明を適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば，プラズマ処理時に被処理体に加わる熱量に応じて，被処理体を冷却する冷媒の熱量あるいは流量制御を行えるので，被処理体を所定温度に維持することができ，均一な処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエッチング装置を示す概略的な断面図である。
【図２】図１に示すエッチング装置の冷媒の温度制御を説明するための概略的なフローチャート図である。
【符号の説明】
１００ エッチング装置
１０２ 処理室
１０６ 下部電極
１０８ 冷媒循環路
１１０ 冷却回路
１１２ 上部電極
１１４ 高周波電源
１２４ 冷媒タンク
１２８ 第１インバータ回路
１３０ 第１循環ポンプ
１３２ 冷媒供給管
１３４ 制御器
１３６ 冷媒排出管
１３８ 冷却器
１４０ 第１熱交換器
１４２ 第２熱交換器
１４４ 熱交換路
１４６ 第２インバータ回路
１４８ 第２循環ポンプ
Ｔｈ１〜Ｔｈ４ 第１〜第４温度センサ
ＣＷ１ 第１冷却水
Ｗ ウェハ
【発明の属する技術分野】
本発明は，処理装置およびその温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，半導体装置やＬＣＤ基板などの製造工程においては，プラズマエッチング装置などの各種処理装置が使用されている。例えば，プラズマエッチング装置は，真空処理室内において所定の処理ガスをプラズマ化し，載置台上に載置された半導体ウェハやガラス基板などの被処理体に対してエッチング処理を施すものである。そして，処理にあたっては，プラズマによる被処理体の温度上昇を抑えたり，あるいは，エッチングのアスペクト比を高めたり，エッチング形状を整えたりするために，被処理体を所定温度に維持している。
【０００３】
被処理体の温度管理は，一般に，載置台に設けられた冷却機構により行われている。かかる冷却機構は，冷媒を載置台内に巡らされた冷媒循環路に送り込み，その冷媒が熱を吸収することにより被処理体を冷却する構成を採用している。そして，冷却回路により温調された冷媒タンク内の冷媒はポンプにより冷媒循環路に送り込まれ，冷媒循環路から戻された冷媒は冷却回路により温調され冷媒タンクに送り込まれる。そして，冷媒タンク内あるいは冷媒タンクから冷媒循環路に送り込まれる冷媒の温度を監視して，その温度が所定温度になるように温度制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，冷媒の温度は，被処理体に負荷される熱量，すなわち冷媒循環路内の冷媒が吸収する熱量とは無関係に制御されているので，プラズマ処理によって被処理体に加わる熱量が増加すると，熱容量が飽和するまで被処理体の温度が上昇してしまい，その結果，被処理体に均一な処理を施せないという問題点がある。
【０００５】
本発明は，従来の技術が有する上記問題点に鑑みて成されたものであり，本発明の目的は，上記問題点およびその他の問題点を解決することが可能な，新規かつ改良された処理装置およびその温度制御方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，冷媒循環路を備えた載置台を処理室内に有するとともに，冷媒循環路を循環する冷媒の熱量制御および／または流量制御を行う温調回路を備えた処理装置の温度制御方法であって，冷媒循環路の入口温度と出口温度の実測差分値に基づいて，冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことにより，載置台の温度制御を行うことを特徴とする処理装置の温度制御方法が提供される。
【０００７】
本発明によれば，冷媒循環路内で熱を吸収した冷媒の温度である出口温度から熱を吸収する前の冷媒の温度である入口温度を減算して，冷媒が載置台を介して被処理体から奪った熱の熱量値である実測差分値を算出することができ，該実測差分値に基づく冷媒の熱量制御や流量制御を行うことができる。その結果，処理時に被処理体に加わる熱量が変化しても，該熱量変化に応じて被処理体が一定温度に保たれるように冷媒の温度制御を行うことができるので，被処理体の温度管理を的確に行え，被処理体に均一な処理を施すことができる。
【０００８】
また，例えば，処理に応じて，冷媒循環路の入口温度と出口温度との目標差分値を予め決定し，実測差分値が目標差分値に追随するように冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことが好ましい。かかる構成によれば，予め各プロセスに応じた理想的な入口温度と出口温度との差である目標差分値を設定し，実測差分値が目標差分値と実質的に同一になるように冷媒の温度制御を行えるので，被処理体の温度管理をプロセスに応じて的確に行うことができる。
【０００９】
さらに，例えば，処理に応じて，目標差分値と温調回路への冷媒の目標戻り温度との関係を予め決定し，温調回路への冷媒の実測戻り温度が目標戻り温度に追随するように冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことが好ましい。かかる構成によれば，目標差分値と目標戻り温度との関係を，例えば被処理体の設定温度から目標差分値を減算した値と目標戻り温度とが同一になる関係とすれば，実測戻り温度が目標戻り温度に追従するように冷媒の熱量制御や流量制御を行うことにより，処理時の熱量変化に応じた冷媒の温度制御を確実に行うことができる。この際，さらに上記実測差分値が目標差分値に追従するようにフィードバックをかけながら冷媒の熱量あるいは流量制御を行えば，被処理体の温度管理をより厳密に行うことができる。
【００１０】
また，例えば，処理に応じて，目標差分値と温調回路からの冷媒の目標送り温度との関係を予め決定し，温調回路からの冷媒の実測送り温度が目標送り温度に追随するように冷媒の熱量制御および／または流量制御を行っても，被処理体の温度管理を厳密に行うことができる。
【００１１】
また，温調回路を構成するポンプなどの駆動手段をきめ細かく制御して冷媒の熱量制御や流量制御を安定して行い，かつ駆動手段のオン・オフに伴う突入電流の発生などを防止して消費電力の軽減を図るためには，例えば，温調回路をインバータ制御することが好ましい。
【００１２】
また，本発明の第２の観点によれば，処理室内にて被処理体を載置する載置台と，載置台に設けられた冷媒循環路と，冷媒循環路を循環する冷媒の熱量制御および／または流量制御を行う温調回路とを備えた処理装置において，冷媒循環路の入口温度を検出する入口温度検出手段と，冷媒循環路の出口温度を検出する出口温度検出手段と，冷媒循環路の入口温度と出口温度との実測差分値に基づいて温調回路を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする処理装置が提供される。
【００１３】
本発明によれば，入口温度検出手段と出口温度検出手段により冷媒循環路内で熱を吸収する前後の冷媒の温度である入口温度と出口温度とを求め，制御手段により出口温度から入口温度を減算して求められる冷媒が吸収した熱の熱量値である実測差分値に基づいて冷媒の熱量制御や流量制御を行うことができる。その結果，処理時の被処理体の熱量変化に応じて冷媒の温度制御を行えるので，被処理体の温度管理を的確に行うことができる。
【００１４】
また，被処理体の温度管理をより厳密に行うためには，例えば，さらに温調回路への冷媒の戻り温度を検出する戻り温度検出手段を備えて，制御手段により実測差分値に基づいて冷媒の戻り温度を制御したり，あるいは，さらに温調回路からの冷媒の送り温度を検出する送り温度検出手段を備えて，制御手段により実測差分値に基づいて冷媒の送り温度を制御することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら，本発明にかかる処理装置およびその温度制御方法を，プラズマエッチング装置およびその温度制御方法に適用した好適な実施の一形態について詳細に説明する。
【００１６】
（１）エッチング装置の全体構成
まず，エッチング装置１００の構成について概略すると，図１に示すように，気密な処理容器１０２内に形成された処理室１０４内には，被処理体，例えば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）Ｗを載置可能な載置台としての下部電極１０６が配置されている。下部電極１０６には，下部電極１０６を介してウェハＷを冷却して所定温度に維持するための冷媒循環路１０８が内装されている。冷媒循環路１０８には，後述の如く温調された冷媒としての第１冷却水ＣＷ１を冷媒循環路１０８内に供給するとともに，冷媒循環路１０８内を循環した第１冷却水ＣＷ１を回収して再び温調する本発明の中核を成す温調回路としての冷却回路１１０が接続されている。なお，冷却回路１１０の構成および第１冷却水ＣＷ１の温度制御については，以下で詳述する。
【００１７】
また，処理室１０４内には，下部電極１０６の載置面に対向して上部電極１１２が配置されている。かかる構成により，高周波電源１１４から出力された高周波電力を整合器１１６を介して下部電極１０６に印加すると，処理ガス供給源Ｇ１１８から流量調整バルブＭＦＣ１２０と上部電極１１２に形成された多数のガス吐出孔１１２ａとを介して処理室１０４内に導入された処理ガスがプラズマ化し，下部電極１０６上で所定温度に維持されたウェハＷにエッチング処理が施される。また，処理室１０４内のガスは，排気系１２２から排気される。
【００１８】
（２）冷却機構の構成
次に，本発明の中核を成す冷却回路１１０について詳述する。冷却回路１１０を構成する冷媒タンク１２４内には，後述の如く温調された第１冷却水ＣＷ１が蓄えられている。また，冷媒タンク１２４内には，第１冷却水ＣＷ１の加熱するためのヒータ１２６が設けられている。冷媒タンク１２４内の第１冷却水ＣＷ１は，本実施の形態にかかる第１インバータ回路１２８によりインバータ制御される第１循環ポンプ１３０により加圧され，冷媒供給経路１３２を介して下部電極１０６内の冷媒循環路１０８に送り出される。かかる構成によれば，第１インバータ回路１２８が供給電力の周波数制御を行い，第１循環ポンプ１３０を駆動するモータの回転数を適宜調整できるので，設定条件に応じた一定流量の第１冷却水ＣＷ１を冷媒循環路１０８と冷却回路１１０との間で循環させることができる。その結果，後述する第１冷却水ＣＷ１の温度制御を容易かつ正確に行うことができる。また，第１循環ポンプ１３０の揚水量は，制御器１３４が第１インバータ回路１２８を制御することにより，適宜調整される。
【００１９】
また，冷媒循環路１０８内を循環した第１冷却水ＣＷ１は，冷媒排出管１３６を介して冷却回路１１０に戻され，冷却器１３８で所定温度に温調された後，再び冷媒タンク１２４内に蓄えられる。冷却器１３８は，冷媒排出管１３６に介装され第１冷却水ＣＷ１を冷却する第１熱交換器１４０，第１冷却水ＣＷ１よりも低い温度の第２冷却水ＣＷ２が循環する第２熱交換器１４２，第１および第２熱交換器１４０，１４２内を通って第１および第２熱交換器１４０，１４２間で熱の受け渡しを行う第３冷却水ＣＷ３を循環させる熱交換路１４４から構成されている。また，熱交換路１４４には，第２インバータ回路１４６によりインバータ制御される第２循環ポンプ１４８と，開閉バルブ１５０が介装されている。
【００２０】
従って，制御器１３４の命令によって第２インバータ回路１４６が第２循環ポンプ１４８の揚水量を調整し，第２熱交換器１４２内で冷却された所定流量の第３冷却水ＣＷ３を熱交換路１４４内で循環させることにより，第１熱交換器１４０内の通過時に第１冷却水ＣＷ１の熱が吸収されて，第１冷却水ＣＷ１が所定温度に温調される。また，第１冷却水ＣＷ１の温度は，制御器１３４の命令により第２循環ポンプ１４８の揚水量を調整すれば適宜変更可能であり，第３冷却水ＣＷ３の流量を増やせば下がり，逆に流量を減らせば上がる。
【００２１】
かかる構成によれば，第１冷却水ＣＷ１の流量を変化させないで，第１冷却水ＣＷ１の温調を行うことができる。その結果，第１冷却水ＣＷ１の流量を一定に維持できるので，後述の第１冷却水ＣＷ１の温度制御に用いる演算を的確に行うことができる。また，第２循環ポンプ１４８は，インバータ制御されるので，第３冷却水ＣＷ３の迅速な流量制御により第１冷却水ＣＷ１の温度制御の応答性を向上でき，さらに第３冷却水ＣＷ３の効率的な流量調整により消費電力の軽減を図ることができる。
【００２２】
また，冷媒供給管１３２と冷媒排出管１３６には，それぞれに対応して，本実施の形態にかかる送り温度検出手段としての第１温度センサＴｈ１および入口温度検出手段としての第２温度センサＴｈ２と，出口温度検出手段としての第３温度センサＴｈ３および戻り温度検出手段としての第４温度センサＴｈ４が介装されている。第１温度センサＴｈ１は冷媒タンク１２４から送り出された直後の第１冷却水ＣＷ１の実測送り温度を検出し，第４温度センサＴｈ４は第１熱交換器１４０内に戻される直前の第１冷却水ＣＷ１の実測戻り温度を検出する。また，第２温度センサＴｈ２は冷媒循環路１０８内に供給される直前の第１冷却水ＣＷ１の実測入口温度を検出し，第３温度センサＴｈ３は冷媒循環路１０８から排出された直後の第１冷却水ＣＷ１の実測出口温度を検出する。また，第１〜第４温度センサＴｈ１〜Ｔｈ４で検出された各温度情報は，制御器１３４に伝達され，後述する第１冷却水ＣＷ１の温度制御に用いられる。
【００２３】
（３）ウェハＷの温度制御
次に，ウェハＷの温度制御について，図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず，処理開始前に，処理時のウェハＷの温度Ｔｓ，例えば−１０℃を制御器１３４に設定する（ステップＳ１００）。その後，制御器１３４は，第１温度センサＴｈ１で検出される実測送り温度が設定温度Ｔｓの−１０℃になるように，冷却器１３８を制御して第１冷却水ＣＷ１を温調する（ステップＳ１０２）。以下，後述するステップＳ１０８までのプラズマ処理前は，第１温度センサＴｈ１の検出温度に基づいて第１冷却水ＣＷ１の温調が行われる。
【００２４】
次いで，処理時に下部電極１０６に印加する予定の高周波の電力値を制御器１３４に設定する（ステップＳ１０４）。制御器１３４は，上記電力値に基づいて，予め求めておいた熱量算出用の一次近似式から処理時にウェハＷに負荷される熱量Ｑを算出する（ステップＳ１０６）。上記一次近似式は，熱量Ｑが処理装置のプラズマソースごとに異なるために，各プラズマソースごとに予め実験的に求めた電力値と熱量との関係から求める。
【００２５】
さらに，制御器１３４は，上記算出された熱量Ｑに基づいて下記の式（１）
ΔＴ＝Ｑ／ｇ×Ｃｐ×ρ …（１）
から冷媒循環路１０８の入口温度と出口温度との理論的な温度差である目標差分値ΔＴを算出し，設定する（ステップＳ１０８）。目標差分値ΔＴは，後述するプラズマ処理時の第１冷却水ＣＷ１の温度制御に用いられる。なお，式（１）中のｇは第１冷却水ＣＷ１の流量であり，Ｃｐは第１冷却水ＣＷ１の比熱であり，ρは第１冷却水ＣＷ１の密度である。従って，目標差分値ΔＴは，流量ｇが上述の如く一定流量に設定され，比熱Ｃｐおよび密度ρが第１冷却水ＣＷ１の成分により決定されるので，上記熱量Ｑ，すなわち下部電極１０６に印加する高周波の電力値から容易に算出することができる。なお，ここでは，目標差分値ΔＴを−３℃と仮定する。
【００２６】
目標差分値ΔＴが設定された後，第１冷却水ＣＷ１の温度制御を，第１温度センサＴｈ１の検出温度に基づく制御から，第４温度センサＴｈ４で検出される実測戻り温度Ｔｔｈ４に基づく制御に切り替える（ステップＳ１１０）。該温度制御は，上述のようにウェハＷの設定温度Ｔｓが−１０℃であり，目標差分値ΔＴが−３℃である場合，第４温度センサＴｈ４での実測戻り温度Ｔｔｈ４が
Ｔｔｈ４’＝Ｔｓ−ΔＴ
から算出される目標戻り温度Ｔｔｈ４’，すなわち−７℃になるように冷却器１３８を制御して第１冷却水ＣＷ１の温度調整を行うものである。その後，下部電極１０６に上記電力値の高周波を印加してプラズマを生成し，ウェハＷに対してエッチング処理を行う（ステップＳ１１２）。かかる構成によれば，ウェハＷに熱が負荷される直前に第４温度センサＴｈ４の実測戻り温度Ｔｔｈ４に基づく温度制御に切り替え，ウェハＷが加熱されないプラズマ処理前は第１温度センサＴｈ１の実測送り温度に基づいて温度制御を行うので，プラズマ処理前に過度に冷却された第１冷却水ＣＷ１が冷媒循環路１０８内に送り込まれず，ウェハＷあるいは下部電極１０６が冷え過ぎることを防止できる。以後，ステップＳ１１８までのプラズマ処理中は，第４温度センサＴｈ４の検出温度に基づいて第１冷却水ＣＷ１の温調が行われる。
【００２７】
また，プラズマ処理中は，第４温度センサＴｈ４の実測戻り温度Ｔｔｈ４を常時検出し，制御器１３４において検出温度Ｔｔｈ４が上記目標戻り温度Ｔｔｈ４’と同一，すなわち−７℃であるかを判断して（ステップＳ１１４），両温度が同一である場合には第１冷却水ＣＷ１の温度を維持したままで処理を行った後，処理を終了する（ステップＳ１１８）。
【００２８】
一方，第４温度センサＴｈ４の実測戻り温度Ｔｔｈ４が目標戻り温度Ｔｔｈ４’よりも高くなったり，あるいは低くなった場合には，制御器１３４の命令により冷却器１３８の冷却率を調整し，実測戻り温度Ｔｔｈ４が目標戻り温度Ｔｔｈ４’と同一の−７℃になるように第１冷却水ＣＷ１を温調する。ただし，冷却器１３８で冷却された第１冷却水ＣＷ１は，冷媒タンク１２４内に一時的に蓄えられた後に送り出され，さらに引き回された冷媒供給管１３２や冷媒排出管１３６を循環するので，第４温度センサＴｈ４で温度検出されるまでにタイムラグがある。従って，単に実測戻り温度に基づいて温度制御を行うと，第１冷却水ＣＷ１の温度が低下し過ぎてしまう。
【００２９】
そこで，第２および第３温度センサＴｈ２，Ｔｈ３で冷媒循環路１０８の入口温度と出口温度を検出し，制御器１３４において出口温度から入口温度を減算して実測差分値を算出し，該実測差分値が上記目標差分値ΔＴと同一になるようにフィードバック制御を行いながら，実測戻り温度に基づく温度制御を行う（ステップＳ１１６）。かかる構成により，第１冷却水ＣＷ１の温度の下がり過ぎを防止できるので，ウェハＷの温度を設定温度に維持することができ，均一な処理を施すことができる。なお，上記ステップＳ１１４とステップＳ１１６は，エッチング処理が終了するまで常時行われる。
【００３０】
エッチング処理終了後，実測戻り温度に基づく温度制御から，再び上記第１温度センサＴｈ１の実測送り温度に基づく温度制御に切り替える（ステップＳ１２０）。なお，複数のウェハＷを連続処理する場合には，最後のウェハＷの処理が終了した後に，上記実測送り温度に基づく制御に切り替える。
【００３１】
本実施の形態は，以上のように構成されており，熱を吸収した第１冷却水ＣＷ１の温度である実測戻り温度に基づいて第１冷却水ＣＷ１の温度制御を行うので，処理時にウェハＷに負荷された熱量が増加しても，熱量の増加分に追随して第１冷却水ＣＷ１を冷却することができ，ウェハＷの温度管理を精度良く行うことができる。また，実測差分値と目標差分値に基づくフィードバック制御を行いながら，上記温度制御を行うので，ウェハＷの温度変化を実質的に防止できる。
【００３２】
以上，本発明の好適な実施の一形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３３】
例えば，上記実施の形態において，第１冷却水の熱量制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されず，冷媒循環路を循環する冷媒の流量制御を行う場合にも本発明を適用することができる。かかる場合には，実測戻り温度に基づいて，冷媒循環路を循環させる所定の一定温度の冷媒の流量を調整すれば良い。
【００３４】
また，上記実施の形態において，実測戻り温度に基づいて第１冷却水の温度制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されず，実測戻り温度に代えて，実測送り温度に基づいて冷媒の制御を行う場合にも本発明を適用することができる。
【００３５】
また，上記実施の形態において，ウェハの温度を基準にして第１冷却水の温度制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されず，載置台の温度を基準にして冷媒の温度制御を行う場合にも本発明を適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば，プラズマ処理時に被処理体に加わる熱量に応じて，被処理体を冷却する冷媒の熱量あるいは流量制御を行えるので，被処理体を所定温度に維持することができ，均一な処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエッチング装置を示す概略的な断面図である。
【図２】図１に示すエッチング装置の冷媒の温度制御を説明するための概略的なフローチャート図である。
【符号の説明】
１００ エッチング装置
１０２ 処理室
１０６ 下部電極
１０８ 冷媒循環路
１１０ 冷却回路
１１２ 上部電極
１１４ 高周波電源
１２４ 冷媒タンク
１２８ 第１インバータ回路
１３０ 第１循環ポンプ
１３２ 冷媒供給管
１３４ 制御器
１３６ 冷媒排出管
１３８ 冷却器
１４０ 第１熱交換器
１４２ 第２熱交換器
１４４ 熱交換路
１４６ 第２インバータ回路
１４８ 第２循環ポンプ
Ｔｈ１〜Ｔｈ４ 第１〜第４温度センサ
ＣＷ１ 第１冷却水
Ｗ ウェハ
Claims (7)
- 冷媒循環路の形成された被処理体の載置台を内蔵した処理室と，前記冷媒循環路を循環する冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うための温調回路と，を備えたプラズマ処理装置において，前記載置台上の被処理体の温度を制御するための温度制御方法であって，
前記プラズマ処理装置におけるプロセス条件に応じて変化する，前記冷媒循環路における冷媒の入口温度と出口温度との理論的な差である目標差分値をプロセス条件毎に決定し，
前記冷媒循環路における冷媒の入口温度および出口温度を検出して，これらの入口温度と出口温度との差である実測差分値を決定し，
前記実測差分値が前記目標差分値に追随するように，前記温調回路における冷媒の熱量制御および／または流量制御を行いながら，前記載置台上の被処理体の温度を制御することを特徴とするプラズマ処理装置の温度制御方法。 - 前記目標差分値は，前記プラズマ処理装置における処理に応じて被処理体に負荷される熱量に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置の温度制御方法。
- 前記入口温度および前記出口温度は，温度検出器により検出される，前記冷媒循環路を循環する冷媒の実測入口温度および実測出口温度であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のプラズマ処理装置の温度制御方法。
- 冷媒循環路の形成された被処理体の載置台を内蔵した処理室と，前記冷媒循環路を循環する冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うための温調回路と，を備えたプラズマ処理装置において，前記載置台上の被処理体の温度を制御するための温度制御方法であって，
前記プラズマ処理装置におけるプロセス条件に応じて変化する，前記冷媒循環路における冷媒の入口温度と出口温度との理論的な差である目標差分値，および前記目標差分値と前記温調回路への冷媒の目標戻り温度との関係をプロセス条件毎に決定し，
前記冷媒循環路における冷媒の入口温度および出口温度を検出して，これらの入口温度と出口温度との差である実測差分値を決定し，
前記実測差分値が前記目標差分値に追随するように，かつ前記温調回路への冷媒の実測戻り温度が前記目標戻り温度に追随するように，前記温調回路における冷媒の熱量制御および／または流量制御を行うことにより，前記載置台上の被処理体の温度を制御する，ことを特徴とするプラズマ処理装置の温度制御方法。 - 前記目標差分値は，前記プラズマ処理装置における処理に応じて被処理体に負荷される熱量に基づいて決定され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の温度制御方法。
- 前記入口温度および前記出口温度は，温度検出器により検出される，前記冷媒循環路を循環する冷媒の実測入口温度および実測出口温度であることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載のプラズマ処理装置の温度制御方法。
- 前記プラズマ処理装置は、さらに、前記処理室内にプラズマ発生用の高周波電力を印加するための電極を備え，
前記電極に印加される高周波の電力値に基づいて，前記載置台上の被処理体に負荷される熱量を算出し，
（ａ）前記被処理体の処理開始前には，前記温調回路からの冷媒の実測送り温度が被処理体の設定温度になるように，前記冷媒の熱量制御および／または流量制御を行い，
（ｂ）前記被処理体の処理時には，前記実測差分値が前記目標差分値に追随するように，かつ前記温調回路における冷媒の熱量制御および／または流量制御を行いながら，前記温調回路への冷媒の実測戻り温度が前記熱量に基づいて決められた目標戻り温度に追随するように，前記温調回路における冷媒の熱量制御および／または流量制御を行う，ことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置の温度制御方法。
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