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JP5863582B2 - プラズマ処理装置、及び温度制御方法 - Google Patents

プラズマ処理装置、及び温度制御方法 Download PDF

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Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、プラズマ処理装置、及び温度制御方法に関するものである。
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を実行するプラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置は、例えば薄膜の堆積処理を行うプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置や、エッチング処理を行うプラズマエッチング装置が挙げられる。
プラズマ処理装置は、プラズマ処理空間を画成する処理容器、処理容器内に被処理基板を設置する載置台、及びプラズマ反応に必要な処理ガスを処理室内に導入するためのガス供給系などを備える。また、プラズマ処理装置は、処理室内の処理ガスをプラズマ化するため、マイクロ波、ＲＦ波などの電磁エネルギーを供給するプラズマ生成機構、及びバイアス電圧を試料台に印加し、載置台上に設置された被処理基板に向けてプラズマ中のイオンを加速するためのバイアス電圧印加機構などを備える。
ところで、プラズマ処理装置においては、加速されたプラズマ中のイオンが被処理基板に衝突することによって被処理基板の温度が上昇するので、温度上昇を抑制するために載置台の内部に冷媒を通流することが知られている。例えば特許文献１には、載置台の内部の、被処理基板の中央部に対応する領域、及び被処理基板の周辺部に対応する領域にそれぞれ冷媒流路を形成し、各冷媒流路へ通流させる冷媒流量を制御することによって載置台の温度分布を制御することが開示されている。
特開２００６−２８６７３３号公報
しかしながら、従来技術は、簡易な構成で迅速に温度制御を行うことは考慮されていない。すなわち、従来技術は、冷媒を冷却するチラーユニットと載置台の内部の冷媒流路を接続する冷媒配管に複数の開閉弁を設けて、これらの開閉弁のオンオフを制御することにより温度分布を制御するものであるので、構成が複雑になる。また、従来技術は、チラーユニットの他に冷媒を加熱する加熱ユニットを設けて、チラーユニットで冷却された冷媒の一部を加熱ユニットによって加熱しながら温度を制御するので、温度制御に比較的時間がかかる場合がある。
本発明の一側面に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理空間を画成する処理容器と、前記処理容器内に設けられ、被処理基板が設置される載置台とを備える。また、プラズマ処理装置は、プラズマ反応に用いられる処理ガスを前記プラズマ処理空間へ導入するガス供給機構と、前記プラズマ処理空間内に導入された処理ガスをプラズマ化するための電磁エネルギーを供給するプラズマ生成機構とを備える。また、プラズマ処理装置は、前記載置台の内部に形成された複数の冷媒流路と、前記複数の冷媒流路を通流して循環する冷媒の温度を制御する温度調整部とを備える。また、プラズマ処理装置は、前記複数の冷媒流路のうちの一部の冷媒流路に設けられた逆止弁と、前記複数の冷媒流路を通流して循環する冷媒の流れ方向を反転させる反転機構とを備える。
本発明の種々の側面及び実施形態によれば、簡易な構成で迅速に温度制御を行うプラズマ処理装置及び温度制御方法を実現することができる。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 図２Ａは、逆止弁の概略を示す図である。 図２Ｂは、逆止弁の概略を示す図である。 図３Ａは、載置台の温度制御の概略を示す図である。 図３Ｂは、載置台の温度制御の概略を示す図である。 図４Ａは、冷媒流路の設置態様の第１実施例を示す図である。 図４Ｂは、冷媒流路の設置態様の第１実施例を示す図である。 図４Ｃは、冷媒流路の設置態様の第１実施例を示す図である。 図５は、温度制御のタイムチャートの一例を示す図である。 図６Ａは、冷媒流路の設置態様の第２実施例を示す図である。 図６Ｂは、冷媒流路の設置態様の第２実施例を示す図である。 図７Ａは、冷媒流路の設置態様の第３実施例を示す図である。 図７Ｂは、冷媒流路の設置態様の第３実施例を示す図である。 図８Ａは、冷媒流路の設置態様の第４実施例を示す図である。 図８Ｂは、冷媒流路の設置態様の第４実施例を示す図である。 図９Ａは、冷媒流路の設置態様の第５実施例を示す図である。 図９Ｂは、冷媒流路の設置態様の第５実施例を示す図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
まず、プラズマ処理装置の全体構成について説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。
プラズマ処理装置１は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）型のプラズマ処理装置として構成されており、例えばアルミニウム又はステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器１０）を有している。処理容器１０は接地されている。処理容器１０内では、被処理基板にエッチング処理等のプラズマ処理が施される。なお、一実施形態ではプラズマ処理装置の一例としてプラズマエッチング装置を挙げるが、これには限られない。
処理容器１０内には、被処理基板としての半導体ウエハＷ(以下、ウエハＷと称呼する)を載置する載置台８８が設けられている。載置台８８は、ウエハＷを静電吸着力で保持する静電チャック４０と、静電チャック４０を支持する下部電極１２とを有する。ウエハＷは載置台８８に設置された状態でプラズマの作用によりエッチング等の微細加工が施される。
下部電極１２は、例えばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介して処理容器１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、下部電極１２の上面を環状に囲む、たとえば石英からなるフォーカスリング１８が配置されている。
処理容器１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成されている。排気路２０には環状のバッフル板２２が取り付けられている。排気路２０の底部には排気口２４が設けられ、排気管２６を介して排気装置２８に接続されている。排気装置２８は図示しない真空ポンプを有しており、処理容器１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧する。処理容器１０の側壁には、ウエハＷの搬入出口を開閉する搬送用のゲートバルブ３０が取り付けられている。
下部電極１２には、整合器３４及び給電棒３６を介してプラズマ生成用の高周波電源３２が電気的に接続されている。高周波電源３２は、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を下部電極１２に印加する。なお、処理容器１０の天井部には、後述するシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。これにより、高周波電源３２からの高周波電圧は下部電極１２とシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。高周波電源３２は、プラズマを生成するためのパワーを供給し、処理容器１０内にてガスからプラズマを生成するプラズマ源の一例である。
下部電極１２の上面にはウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁膜４０ｂ，４０ｃの間に挟み込んだものである。電極４０ａには直流電源４２がスイッチ４３を介して電気的に接続されている。静電チャック４０は、直流電源４２からの直流電圧により、クーロン力でウエハＷをチャック上に吸着保持する。
伝熱ガス供給源５２は、Ｈｅガス等の伝熱ガスをガス供給ライン５４に通して静電チャック４０の上面とウエハＷの裏面との間に供給する。天井部のシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する電極板５６と、この電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。電極支持体５８の内部にはバッファ室６０が設けられ、バッファ室６０のガス導入口６０ａにはガス供給源６２に連結されるガス供給配管６４が接続されている。これにより、ガス供給源６２から処理容器１０内に所望のガスが供給される。
処理容器１０の周囲には、環状又は同心状に延在する磁石６６が配置されている。処理容器１０内において、シャワーヘッド３８と下部電極１２との間のプラズマ生成空間には、高周波電源３２により鉛直方向のＲＦ電界が形成される。高周波の放電により、下部電極１２の表面近傍に高密度のプラズマが生成される。
下部電極１２の内部には冷媒管７０が形成されている。冷媒管７０は、第１の冷媒管７０ａと第２の冷媒管７０ｂを有する。第１の冷媒管７０ａ，第２の冷媒管７０ｂにはそれぞれ、チラーユニット７１によって所定温度に冷却された冷媒が循環供給される。具体的には、チラーユニット７１に接続された配管７２は第１の配管７２ａ、第２の配管７２ｂに分岐されており、第１の配管７２ａは第１の冷媒管７０ａに連結されており、第２の配管７２ｂは第２の冷媒管７０ｂに連結されている。また、第１の冷媒管７０ａを循環した冷媒は第１の冷媒管７０ａに連結された第１の配管７２ａから流出し、第２の冷媒管７０ｂを循環した冷媒は第２の冷媒管７０ｂに連結された第２の配管７２ｂから流出する。そして、第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂは１本の配管７２へ合流し、この配管７２はチラーユニット７１に連結される。
また、配管７２には、反転ユニット９２が設けられている。反転ユニット９２は、チラーユニット７１で冷却された冷媒の通流方向を反転させるユニットであり、例えば四方弁によって形成される。また、第１の配管７２ａには、冷媒を一方向にのみ通流させる逆止弁９０が設けられている。第１の冷媒管７０ａ，第２の冷媒管７０ｂの設置態様、及び反転ユニット９２による冷媒の通流方向の制御等についての詳細は後述する。
下部電極１２の内部にはヒータ７５が埋設されている。ヒータ７５には図示しない交流電源から所望の交流電圧が印加される。かかる構成により、チラーユニット７１による冷却とヒータ７５による加熱によって静電チャック４０上のウエハＷの処理温度は所望の温度に調整される。また、これらの温度制御は、制御装置８０の指示に従い実行される。なお、ヒータ７５を静電チャック４０の中心部と周辺部の２系統のゾーンに分けて配置し、これによりゾーン毎に温度制御してもよい。これによれば、より精度の高い温度制御が可能となる。
制御装置８０は、プラズマ処理装置１に取り付けられた各部、たとえば排気装置２８、高周波電源３２、静電チャック４０用のスイッチ４３、整合器３４、伝熱ガス供給源５２、ガス供給源６２、チラーユニット７１、静電チャック４０内のヒータ、及び反転ユニット９２を制御する。制御装置８０は、ホストコンピュータ（図示せず）等とも接続されている。
制御装置８０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit），ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を有し、ＣＰＵはＲＯＭ又はＲＡＭに格納された各種レシピに従ってプロセスを実行する。レシピには複数のプラズマプロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、処理室内温度（上部電極温度、処理室の側壁温度、下部電極温度など）、圧力、印加する高周波電力、各種プロセスガス流量などが記載されている。以下の説明では、レシピとして主に温度制御に関する制御を取り上げて説明する。なお、レシピは、記憶媒体に格納して提供され、図示しないドライバを介してＲＯＭ又はＲＡＭに読み込まれるものであってもよく、また、図示しないネットワークからダウンロードされてＲＯＭ又はＲＡＭに格納されるものであってもよい。また、上記各部の機能を実現するために、ＣＰＵに代えてＤＳＰ（Digital Signal Processor）が用いられてもよい。なお、制御装置８０の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。
かかる構成のプラズマ処理装置１において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ３０を開口して搬送アーム上に保持されたウエハＷを処理容器１０内に搬入する。次に、静電チャック４０の表面から突出したプッシャーピン(図示しない)により搬送アームからウエハＷが持ち上げられ、プッシャーピン上にウエハＷが保持される。次いで、その搬送アームが処理容器１０外へ出た後に、プッシャーピンが静電チャック４０内に下ろされることでウエハＷが静電チャック４０上に載置される。
ウエハＷ搬入後、ゲートバルブ３０が閉じられ、ガス供給源６２からエッチングガスを所定の流量及び流量比で処理容器１０内に導入し、排気装置２８により処理容器１０内の圧力を設定値に減圧する。さらに、高周波電源３２から所定のパワーの高周波電力を下部電極１２に供給する。また、直流電源４２から直流電圧を静電チャック４０の電極４０ａに印加して、ウエハＷを静電チャック４０上に固定する。シャワーヘッド３８からシャワー状に導入されたエッチングガスは、高周波電源３２からの高周波電力によりプラズマ化され、これにより、上部電極（シャワーヘッド３８）と下部電極１２との間のプラズマ生成空間にてプラズマが生成される。生成されたプラズマ中のラジカルやイオンによってウエハＷの主面がエッチングされる。
プラズマエッチング終了後、ウエハＷがプッシャーピンにより持ち上げられ保持され、ゲートバルブ３０を開口して搬送アームが処理容器１０内に搬入された後に、プッシャーピンが下げられウエハＷが搬送アーム上に保持される。次いで、その搬送アームが処理容器１０外へ出て、次のウエハＷが搬送アームにより処理容器１０内へ搬入される。この処理を繰り返すことで連続してウエハＷが処理される。
次に、逆止弁９０の構成について説明する。図２Ａ，図２Ｂは、逆止弁の概略を示す図である。図２Ａ，図２Ｂに示すように、逆止弁９０は、配管７２から分岐した第１の配管７２ａの分岐部に設けられた弁座９０ｂと、弁座９０ｂに設けられた板状の弁体９０ａとを有している。例えば図２Ａに示すように、配管７２から第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂの方向に冷媒が流れた場合、冷媒の流れの力によって弁座９０ｂを支点にして弁体９０ａが立ち上がって第１の配管７２ａの流路を「閉」にする。その結果、図２Ａの場合には、第１の配管７２ａには冷媒は通流せず、第２の配管７２ｂにのみ冷媒が通流する。
一方、冷媒の通流方向が反転して、図２Ｂに示すように、第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂから配管７２の方向に冷媒が流れた場合、冷媒の流れの力によって弁座９０ｂを支点にして弁体９０ａが倒れて第１の配管７２ａの流路を「開」にする。その結果、図２Ｂの場合には、第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂの両方に冷媒が通流する。
次に、本実施形態における載置台の温度制御の概略について説明する。図３Ａ，図３Ｂは、載置台の温度制御の概略を示す図である。図３Ａに示すように、チラーユニット７１で所定温度に冷却された冷媒は、ある流れ方向では、逆止弁９０によって流れが遮られるので、冷媒管７０ｂのみの１系統の冷媒流路を通流して載置台８８を冷却する。
一方、図３Ｂに示すように、制御装置８０からの指令によって反転ユニット９２が冷媒の流れ方向を反転すると、チラーユニット７１で所定温度に冷却された冷媒は、冷媒管７０ａ及び冷媒管７０ｂの２系統の冷媒流路を通流して載置台８８を冷却する。このように、逆止弁９０を設けるとともに、冷媒の流れ方向を反転させることによって、載置台８８の内部の冷媒管に選択的に冷媒を通流させることができるので、これを利用して載置台８８（及びウエハＷ）の温度分布を制御することができる。以下、載置台８８（及びウエハＷ）の温度分布の制御例について説明する。
（第１実施例）
図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃは、冷媒流路の設置態様の第１実施例を示す図である。図４Ａ，図４Ｂに示すように、第１実施例では、第１の冷媒管７０ａ，第２の冷媒管７０ｂは、下部電極１２（載置台）の内部のウエハＷが設置される領域に対応する領域に上下方向に分離して形成されている。具体的には、第２の冷媒管７０ｂは、下部電極１２の内部の上部領域に渦巻き状に形成されている。また、第１の冷媒管７０ａは、下部電極１２の内部の第２の冷媒管７０ｂが形成された領域の下部に渦巻き状に形成されている。また、図４Ｃは渦巻き状に形成された冷媒管７０ｂを上からみたときの概念図である。
また、チラーユニット７１で冷却された冷媒は配管７２を介して流出し、配管７２から第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂに分岐する。第１の配管７２ａは第１の冷媒管７０ａの一方の端部に連結されており、第２の配管７２ｂは第２の冷媒管７０ｂの一方の端部に連結されている。また、第１の冷媒管７０ａ内を通流した冷媒は、第１の冷媒管７０ａの他方の端部に連結された第１の配管７２ａを介して流出し、第２の冷媒管７０ｂ内を通流した冷媒は、第２の冷媒管７０ｂの他方の端部に連結された第２の配管７２ｂを介して流出する。第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂを介して流出した冷媒は１本の配管７２に合流し、反転ユニット９２を介してチラーユニット７１へ戻り、チラーユニット７１で冷却されて再び下部電極１２の内部を通流して循環する。
また、第１の冷媒管７０ａの一方の端部に接続されている第１の配管７２ａには、逆止弁９０が設けられている。図４Ａに示すように冷媒が通流した場合、逆止弁９０が「閉」になるので、第１の冷媒管７０ａには冷媒は流れず、第２の冷媒管７０ｂにのみ冷媒が流れる。一方、図４Ｂに示すように冷媒が反転して通流した場合、逆止弁９０が「開」になるので、第１の冷媒管７０ａ及び第２の冷媒管７０ｂの両方に冷媒が流れる。
次に、本実施形態の温度制御方法について説明する。図５は、温度制御のタイムチャートの一例を示す図である。図５において横軸は時間経過（秒）を示し、縦軸はウエハＷの温度を示している。
本実施形態の温度制御方法では、制御装置８０は、プラズマ処理装置１によって実行されるプラズマ処理プロセスの切り替えのタイミングに応じて反転ユニット９２を制御して冷媒の流れ方向を反転させることができる。例えば図５に示すように、プラズマ処理装置１は、第１のプラズマ処理プロセス、第２のプラズマ処理プロセス、及び第３のプラズマ処理プロセスを連続して実行するものとする。
なお、第１及び第３のプラズマ処理プロセスでは、ウエハＷの温度を、例えば４０℃程度の比較的高い温度に保つことによって所望のプラズマ処理を行うことができるものとする。一方、第２のプラズマ処理プロセスでは、ウエハＷの温度を、例えば２０℃程度の比較的低い温度に保つことによって所望のプラズマ処理を行うことができるものとする。
この場合、制御装置８０は、第１のプラズマ処理プロセスが実行されている間は、逆止弁９０が「閉」になるように（図４Ａに示すように）冷媒の通流方向を設定する。これにより、第１のプラズマ処理プロセスが実行されている間は、第１の冷媒管７０ａには冷媒が通流せず第２の冷媒管７０ｂにのみ冷媒が通流する。その結果、図５に示すようにウエハＷはおよそ４０℃の比較的高い温度に保たれる。
一方、第１のプラズマ処理プロセスから第２のプラズマ処理プロセスへ切り替えられるタイミングで、制御装置８０は反転ユニット９２を制御することによって冷媒の流れ方向を反転させる。すると、図４Ｂに示すように冷媒の通流方向が反転されて、逆止弁９０が「開」になる。これにより、第２のプラズマプロセスが実行されている間は、第１の冷媒管７０ａ及び第２の冷媒管７０ｂの両方に冷媒が通流する。その結果、図５に示すようにウエハＷはおよそ２０℃の比較的低い温度に保たれる。
そして、第２のプラズマ処理プロセスから第３のプラズマ処理プロセスへ切り替えられるタイミングで、制御装置８０は反転ユニット９２を制御することによって冷媒の流れ方向を再度反転させる。すると、図４Ａに示すように冷媒の通流方向が反転されて、逆止弁９０が「閉」になる。これにより、第３のプラズマプロセスが実行されている間は、第１の冷媒管７０ａには冷媒が通流せず第２の冷媒管７０ｂにのみ冷媒が通流する。その結果、図５に示すようにウエハＷはおよそ４０℃の比較的高い温度に保たれる。
以上のように、本実施形態のプラズマ処理装置１及び温度制御方法によれば、逆止弁９０を設けて冷媒の通流方向を反転するだけの簡易な構成で、複数のプラズマ処理プロセスを実行する場合にウエハＷの温度を各プラズマ処理プロセスに適した温度に迅速に制御することができる。
（第２実施例）
次に、冷媒流路の設置態様の第２実施例について説明する。図６Ａ，図６Ｂは、冷媒流路の設置態様の第２実施例を示す図である。図６Ａ，図６Ｂに示すように、第２実施例では、下部電極１２の内部の、フォーカスリング１８に対応する領域に第１の冷媒管７０ａが渦巻き状に形成されている。また、下部電極１２の内部の、ウエハＷが設置される領域に対応する領域に第２の冷媒管７０ｂが渦巻き状に形成されている。
また、チラーユニット７１で冷却された冷媒は配管７２を介して流出し、配管７２から第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂに分岐する。第１の配管７２ａは第１の冷媒管７０ａの一方の端部に連結されており、第２の配管７２ｂは第２の冷媒管７０ｂの一方の端部に連結されている。また、第１の冷媒管７０ａ内を通流した冷媒は、第１の冷媒管７０ａの他方の端部に連結された第１の配管７２ａを介して流出し、第２の冷媒管７０ｂ内を通流した冷媒は、第２の冷媒管７０ｂの他方の端部に連結された第２の配管７２ｂを介して流出する。第１の配管７２ａ及び第２の配管７２ｂを介して流出した冷媒は１本の配管７２に合流し、反転ユニット９２を介してチラーユニット７１へ戻り、チラーユニット７１で冷却されて再び下部電極１２の内部を通流して循環する。
また、第１の冷媒管７０ａの一方の端部に接続される第１の配管７２ａには、逆止弁９０が設けられている。図６Ａに示すように冷媒が通流した場合、逆止弁９０が「閉」になるので、第１の冷媒管７０ａには冷媒は流れず、第２の冷媒管７０ｂにのみ冷媒が流れる。一方、図６Ｂに示すように冷媒が反転して通流した場合、逆止弁９０が「開」になるので、第１の冷媒管７０ａ及び第２の冷媒管７０ｂの両方に冷媒が流れる。
本実施例では、例えば図６Ａの状態でプラズマ処理を行っている際に、プラズマ処理によってフォーカスリング１８が加熱された場合を考える。この場合、制御装置８０は、反転ユニット９２によって図６Ｂのように冷媒の通流方向を反転させることにより、下部電極１２の内部の、フォーカスリング１８に対応する領域（第１の冷媒管７０ａ）に冷媒を通流させる。これにより、第１の冷媒管７０ａを通流する冷媒によってフォーカスリング１８の熱を奪うことができるので、その結果、ウエハＷの温度分布を均一化することができる。
（第３実施例）
次に、冷媒流路の設置態様の第３実施例について説明する。図７Ａ，図７Ｂは、冷媒流路の設置態様の第３実施例を示す図である。図７Ａ，図７Ｂに示すように、第３実施例では、下部電極１２の内部のフォーカスリング１８に対応する領域に第１の冷媒管７０ａが渦巻き状に形成されている。また、下部電極１２の内部の、ウエハＷが設置される領域に対応する領域に第２の冷媒管７０ｂが形成されている。また、下部電極１２の内部の、第１の冷媒管７０ａが形成された領域の下部領域に第３の冷媒管７０ｃが渦巻き状に形成されている。図７Ａ，図７Ｂでは、簡単な説明のために冷媒管７０ａ及び冷媒管７０ｃが１つの冷媒管として記載されているが、各領域に渦巻き状（図４Ｃ参照）に冷媒管が形成されている。以降の図においても、各領域で渦巻き状に冷媒管が形成されているものとする。
また、チラーユニット７１で冷却された冷媒は配管７２を介して流出し、配管７２から第１の配管７２ａ、第２の配管７２ｂ、及び第３の配管７２ｃに分岐する。第１の配管７２ａは第１の冷媒管７０ａの一方の端部に連結されており、第２の配管７２ｂは第２の冷媒管７０ｂの一方の端部に連結されている。また、第３の配管７２ｃは第３の冷媒管７０ｃの一方の端部に連結されている。また、第１の冷媒管７０ａ内を通流した冷媒は、第１の冷媒管７０ａの他方の端部に連結された第１の配管７２ａを介して流出し、第２の冷媒管７０ｂ内を通流した冷媒は、第２の冷媒管７０ｂの他方の端部に連結された第２の配管７２ｂを介して流出する。また、第３の冷媒管７０ｃ内を通流した冷媒は、第３の冷媒管７０ｃの他方の端部に連結された第３の配管７２ｃを介して流出する。第１の配管７２ａ、第２の配管７２ｂ、及び第３の配管７２ｃを介して流出した冷媒は１本の配管７２に合流し、反転ユニット９２を介してチラーユニット７１へ戻り、チラーユニット７１で冷却されて再び下部電極１２の内部を通流して循環する。
また、第１の冷媒管７０ａの一方の端部に接続される第１の配管７２ａには、逆止弁９０が設けられている。図７Ａに示すように冷媒が通流した場合、逆止弁９０が「閉」になるので、第１の冷媒管７０ａには冷媒は流れず、第２の冷媒管７０ｂ及び第３の冷媒管７０ｃにのみ冷媒が流れる。一方、図７Ｂに示すように冷媒が反転して通流した場合、逆止弁９０が「開」になるので、第１の冷媒管７０ａ、第２の冷媒管７０ｂ、及び第３の冷媒管７０ｃに冷媒が流れる。
本実施例では、例えば図７Ａの状態でプラズマ処理を行っている際に、プラズマ処理によってフォーカスリング１８が加熱された場合を考える。この場合、制御装置８０は、反転ユニット９２によって図７Ｂのように冷媒の通流方向を反転させることにより、下部電極１２の内部の、フォーカスリング１８に対応する領域（第１の冷媒管７０ａ）に冷媒を通流させる。これにより、第１の冷媒管７０ａを通流する冷媒によってフォーカスリング１８の熱を奪うことができるので、その結果、ウエハＷの温度分布を均一化することができる。また、本実施例では、下部電極１２の内部の、フォーカスリング１８に対応する領域に第１の冷媒管７０ａと第３の冷媒管７０ｃが形成されているので、よりフォーカスリング１８の熱を奪うことができる。
（第４実施例）
次に、冷媒流路の設置態様の第４実施例について説明する。図８Ａ，図８Ｂは、冷媒流路の設置態様の第４実施例を示す図である。図８Ａ，図８Ｂに示すように、第４実施例では、下部電極１２の内部の、ウエハＷが設置される領域に対応する領域に第２の冷媒管７０ｂが渦巻き状に形成されている。また、下部電極１２の内部の、第２の冷媒管７０ｂが形成された領域の下部であり、かつ、ウエハＷの外周部が設置される領域に対応する領域に第１の冷媒管７０ａが渦巻き状に形成されている。
また、チラーユニット７１で冷却された冷媒は配管７２を介して流出し、配管７２から第１の配管７２ａ、及び第２の配管７２ｂに分岐する。第１の配管７２ａは第１の冷媒管７０ａの一方の端部に連結されており、第２の配管７２ｂは第２の冷媒管７０ｂの一方の端部に連結されている。また、第１の冷媒管７０ａ内を通流した冷媒は、第１の冷媒管７０ａの他方の端部に連結された第１の配管７２ａを介して流出し、第２の冷媒管７０ｂ内を通流した冷媒は、第２の冷媒管７０ｂの他方の端部に連結された第２の配管７２ｂを介して流出する。第１の配管７２ａ、及び第２の配管７２ｂを介して流出した冷媒は１本の配管７２に合流し、反転ユニット９２を介してチラーユニット７１へ戻り、チラーユニット７１で冷却されて再び下部電極１２の内部を通流して循環する。
本実施例では、ウエハＷの特に外周部の温度が高くなった場合に、ウエハＷの外周部を選択的に冷却することにより、ウエハＷの温度の均一性を保つことができる。すなわち、ウエハＷの径は静電チャック４０の径より大きいため、ウエハＷの外周部は静電チャック４０から突出している。このため、例えば図７Ａの状態でプラズマ処理をおこなっている際にプラズマ処理による入熱によってウエハＷの外周部の温度が内周部に比べて高くなる場合がある。この場合、制御装置８０は、反転ユニット９２によって図８Ｂのように冷媒の通流方向を反転させることにより、下部電極１２の内部の、ウエハＷの外周部が設置される領域に対応する領域（第１の冷媒管７０ａ）に冷媒を通流させる。これにより、第１の冷媒管７０ａを通流する冷媒によってウエハＷの外周部の熱を奪うことができるので、その結果、ウエハＷの温度分布を均一化することができる。
（第５実施例）
次に、冷媒流路の設置態様の第５実施例について説明する。図９Ａ，図９Ｂは、冷媒流路の設置態様の第５実施例を示す図である。図９Ａ，図９Ｂに示すように、第５実施例では、下部電極１２の内部の、ウエハＷが設置される領域に対応する領域に第２の冷媒管７０ｂが渦巻き状に形成されている。また、下部電極１２の内部の、ウエハＷの中央部（センター領域）と外周部（エッジ領域）の間に位置する中間部（ミドル領域）が設置される領域に対応する領域に第１の冷媒管７０ａが渦巻き状に形成されている。なお、第１の冷媒管７０ａは、第２の冷媒管７０ｂが形成された領域の上部及び下部にそれぞれ形成されている。
また、チラーユニット７１で冷却された冷媒は配管７２を介して流出し、配管７２から第１の配管７２ａ、及び第２の配管７２ｂに分岐する。第１の配管７２ａは第１の冷媒管７０ａの一方の端部に連結されており、第２の配管７２ｂは第２の冷媒管７０ｂの一方の端部に連結されている。また、第１の冷媒管７０ａ内を通流した冷媒は、第１の冷媒管７０ａの他方の端部に連結された第１の配管７２ａを介して流出し、第２の冷媒管７０ｂ内を通流した冷媒は、第２の冷媒管７０ｂの他方の端部に連結された第２の配管７２ｂを介して流出する。第１の配管７２ａ、及び第２の配管７２ｂを介して流出した冷媒は１本の配管７２に合流し、反転ユニット９２を介してチラーユニット７１へ戻り、チラーユニット７１で冷却されて再び下部電極１２の内部を通流して循環する。
本実施例では、ウエハＷの特に中間部の温度が高くなった場合に、ウエハＷの中間部を選択的に冷却することにより、ウエハＷの温度の均一性を保つことができる。すなわち、プラズマ処理の種類によっては、ウエハＷの中間部（ミドル領域）が、中央部（センター領域）及び外周部（エッジ領域）に比べて高温になる場合がある。例えば図７Ａの状態でプラズマ処理をおこなっている際にプラズマ処理による入熱によってウエハＷの中間部の温度が中央部及び外周部に比べて高くなる場合がある。この場合、制御装置８０は、反転ユニット９２によって図９Ｂのように冷媒の通流方向を反転させることにより、下部電極１２の内部の、ウエハＷの中間部が設置される領域に対応する領域（第１の冷媒管７０ａ）に冷媒を通流させる。これにより、第１の冷媒管７０ａを通流する冷媒によってウエハＷの中央部の熱を奪うことができるので、その結果、ウエハＷの温度分布を均一化することができる。
以上のように、本実施形態のプラズマ処理装置１及び温度制御方法によれば、第１の配管７２ａに逆止弁９０を設けるとともに、冷媒の流れ方向を反転させるという簡易な構成で、迅速にウエハＷの温度を制御することができる。したがって、例えばプラズマプロセスごとにウエハＷの最適な温度条件がある場合には、プラズマプロセスの切り替えのタイミングで反転ユニット９２によって冷媒の流れ方向を反転させることにより、最適なプラズマ処理を実行することができる。なお、本実施形態は、上記の実施例に限らず、種々の変形例に適用することができる。
１ プラズマ処理装置
１０ 処理容器
１２ 下部電極
１８ フォーカスリング
４０ 静電チャック
６２ ガス供給源
７０，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ 冷媒管
７１ チラーユニット
７２，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ 配管
８０ 制御装置
８８ 載置台
９０ 逆止弁
９２ 反転ユニット
Ｗ ウエハ

Claims (8)

  1. プラズマ処理空間を画成する処理容器と、
    前記処理容器内に設けられ、被処理基板が設置される載置台と、
    プラズマ反応に用いられる処理ガスを前記プラズマ処理空間へ導入するガス供給機構と、
    前記プラズマ処理空間内に導入された処理ガスをプラズマ化するための電磁エネルギーを供給するプラズマ生成機構と、
    前記載置台の内部に形成された複数の冷媒流路と、
    前記複数の冷媒流路を通流して循環する冷媒の温度を制御する温度調整部と、
    前記複数の冷媒流路のうちの一部の冷媒流路に設けられた逆止弁と、
    前記複数の冷媒流路を通流して循環する冷媒の流れ方向を反転させる反転機構と、
    を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記プラズマ処理装置によって実行されるプラズマ処理プロセスの切り替えのタイミングに応じて前記反転機構を制御して前記冷媒の流れ方向を反転させる制御部を
    さらに備え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。
  3. 前記複数の冷媒流路は、前記載置台の内部の前記被処理基板が設置される領域に対応する領域に上下方向に分離して形成された第１及び第２の冷媒流路を有し、
    前記逆止弁は、前記第１又は前記第２の冷媒流路に設けられる
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記被処理基板が設置される領域を囲んで前記載置台上に設けられたフォーカスリングをさらに備え、
    前記複数の冷媒流路は、前記載置台の内部の前記フォーカスリングに対応する領域に形成された第１の冷媒流路、及び前記載置台の内部の前記被処理基板が設置される領域に対応する領域に形成された第２の冷媒流路を有し、
    前記逆止弁は、前記第１の冷媒流路に設けられる
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記被処理基板が設置される領域を囲んで前記載置台上に設けられたフォーカスリングをさらに備え、
    前記複数の冷媒流路は、前記載置台の内部の前記フォーカスリングに対応する領域に形成された第１の冷媒流路、前記載置台の内部の前記被処理基板が設置される領域に対応する領域に形成された第２の冷媒流路、及び前記載置台の内部の前記第１の冷媒流路が形成された領域の下部領域に形成された第３の冷媒流路を有し、
    前記逆止弁は、前記第１又は前記第３の冷媒流路に設けられる
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記複数の冷媒流路は、前記載置台の内部の前記被処理基板が設置される領域に対応する領域に形成された第１の冷媒流路、及び前記載置台の内部の前記被処理基板の外周部が設置される領域に対応する領域に形成された第２の冷媒流路を有し、
    前記逆止弁は、前記第２の冷媒流路に設けられる
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記複数の冷媒流路は、前記載置台の内部の前記被処理基板が設置される領域に対応する領域に形成された第１の冷媒流路、及び前記載置台の内部の前記被処理基板の中央部と外周部の間に位置する中間部が設置される領域に対応する領域に形成された第２の冷媒流路を有し、
    前記逆止弁は、前記第２の冷媒流路に設けられる
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  8. プラズマ処理空間を画成する処理容器と、
    前記処理容器内に設けられ、被処理基板が設置される載置台と、
    プラズマ反応に用いられる処理ガスを前記プラズマ処理空間へ導入するガス供給機構と、
    前記プラズマ処理空間内に導入された処理ガスをプラズマ化するための電磁エネルギーを供給するプラズマ生成機構と、
    前記載置台の内部に形成された複数の冷媒流路と、
    前記複数の冷媒流路を通流して循環する冷媒の温度を制御する温度調整部と、
    前記複数の冷媒流路のうちの一部の冷媒流路に設けられた逆止弁と、
    を備えたプラズマ処理装置において、
    前記複数の冷媒流路の内部を通流する冷媒の流れ方向を反転させることにより、前記逆止弁が設けられた冷媒流路へ前記冷媒を通流させるか否かを選択的に制御する
    ことを特徴とする温度制御方法。
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