(57)【要約】      （修正有）【課題】大入熱エッチング処理時における半導体ウエハの温度を、高速かつ面内均一に制御するための手段を提供する。【解決手段】処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて試料台１に載置された被加工試料Ｗの表面処理を行うプラズマ処理装置において、試料台に設けられ冷却サイクルの蒸発器を構成する冷媒流路２を有し、前記冷媒流路２内に供給される冷媒のエンタルピを制御することで冷媒流路２すなわち試料台内の流動様式を気液二相流に保つことにより、被加工試料の温度を面内均一に制御する。プラズマの入熱量等が増加するなどして冷媒流路２内で冷媒のドライアウトが発生するような場合には、圧縮機７の回転数を増加させ、冷媒流路２内におけるドライアウトの発生を抑制する。また、冷媒流路２に供給される冷媒が液状になっていた場合には、熱交換水用の流量弁１６及び温度制御水槽１７の制御により、冷媒流路２内に供給される冷媒を気液二相状態に保つ。【選択図】図９
2010129766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
前記試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器として、前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁を備える冷却サイクルが構成されており、
前記冷媒流路は、前記試料台に設けられた供給口及び排出口を備えており、該冷媒流路の流路断面積は、前記供給口から前記排出口に向かって順次増加するように構成されており、
前記冷却サイクルの冷媒流路に供給され、排出される温調用冷媒の温度と流量を制御する冷媒蒸発器制御部と、前記凝縮器の熱交換能力を制御する凝縮能力制御部とを備えており、
前記被加工試料の処理時に、前記試料台の前記蒸発器に供給される前記温調用冷媒を気液二相の状態に保つように前記温調用冷媒を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記凝縮能力制御部は、前記凝縮器に供給される熱交換用媒体の流量制御手段を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記凝縮能力制御部は、前記凝縮器に供給される熱交換用媒体の温度制御手段有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記加熱サイクル内に設けられ、冷媒の流動様式を監視するモニタを備えており、
前記被加工試料の処理時に、前記モニタによる監視結果にもとづき、前記試料台の前記蒸発器に供給される前記温調用冷媒を気液二相状態に保つように前記温調用冷媒を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
前記試料台に設けられた冷媒流路を第１の熱交換器として、前記真空処理室の外に配置された圧縮機、第２の熱交換器、膨張弁を備える加熱サイクルが構成されており、
前記冷媒流路は、前記試料台に設けられた供給口及び排出口を備えており、該冷媒流路の流路断面積は、前記供給口から前記排出口に向かって順次変化するように構成されており、
前記加熱サイクルを加熱／冷却の両サイクルに切換え可能とするために、前記試料台に設けられた冷媒流路への冷媒の供給/排出方向を切り換える手段と、
前記加熱サイクルの冷媒流路に供給し、排出される温調用冷媒の温度と流量を制御する第１の熱交換器制御部と、前記第２の熱交換器の熱交換能力を制御する第２の熱交換器能力制御部とを備えており、
前記被加工試料の処理時に、前記試料台の前記第１の熱交換器に供給される前記温調用冷媒を気液二相状態に保つように前記温調用冷媒を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２の熱交換器と平行するバイパス流路を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記第２の熱交換器能力制御部は、前記第１の熱交換器に流入する温調用冷媒の凝縮能力を制御する機能を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項５において、
前記第２の熱交換器能力制御部は、前記第２の熱交換器に供給される熱交換用媒体の流量制御手段を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項５において、
前記加熱サイクル内に設けられ、冷媒の流動様式を監視するモニタを備えており、
前記被加工試料の処理時に、前記モニタによる監視結果にもとづき、前記試料台の前記第１の熱交換器に供給される前記温調用冷媒を気液二相状態に保つように前記温調用冷媒を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記モニタとして、前記サイクル内における前記第１の熱交換器の冷媒供給側及び排出側に設置されたボイド率測定器を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１１】
真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
前記試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器として、前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁を備える冷却サイクルが構成されており、
前記冷却サイクルの冷媒流路に供給され排出される温調用冷媒の温度と流量を制御する冷媒蒸発器制御部と、
前記凝縮器の熱交換能力を制御する凝縮能力制御部とを備えており、
前記被加工試料の処理時に、前記冷媒流路内に供給される前記温調用冷媒のエンタルピを制御することで、前記試料台の前記蒸発器に供給される前記温調用冷媒を気液二相の状態に保つことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造工程においてウエハなどの試料に微細加工を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法にかかり、特に、半導体ウエハを保持固定する電極部の温度制御装置及び温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に伴い、試料のエッチング処理に求められる加工精度はますます厳しくなっている。プラズマ処理装置にてウエハ表面の微細パターンに高精度な加工を施すためには、エッチング中のウエハ表面の温度管理が重要である。しかし、ウエハの大面積化やエッチングレートの向上の要求から、プラズマ処理装置に印加される高周波電力は増加傾向にあり、特に絶縁膜のエッチングにおいてはキロワットオーダの大電力が印加され始めている。大電力の印加により、ウエハ表面へのイオンの衝撃エネルギが増加し、エッチング中におけるウエハの過度な温度上昇が問題となっている。また、形状精度の更なる向上の要求から、プロセス中においてウエハの温度を高速かつ精密に制御できる手段が求められている。
【０００３】
プラズマ処理装置内においてウエハの表面温度を制御するためには、ウエハの裏面と熱伝達媒体を介して接する静電吸着電極（以下、電極と記す）の表面温度を制御すればよい。従来の電極では内部に冷媒の流路を形成し、流路内に液体冷媒を流すことにより電極表面の温度を制御していた。液体冷媒は冷媒供給装置内の冷却装置又は加熱装置により目標温度に調節された後に電極流路内に供給されている。このような冷媒供給装置では液体冷媒を一度タンクに溜めて温度調節後に送り出す構造であり、また液体冷媒自体の熱容量が大きいため、ウエハの表面温度を一定に保つ際には有効である。しかし、温度レスポンスが悪く、高速温度制御が困難であり、また熱交換効率が低い。そのため、近年の大入熱化に伴い装置が大型化し、またエッチングの進行に応じてウエハ表面の温度を最適にコントロールすることが困難であった。
【０００４】
このようなことから、冷媒循環系が冷媒を高圧化する圧縮機と、高圧化された冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を膨張させる膨張弁を電極に設置し、電極の冷媒流路内にて冷媒を蒸発させて冷却を行う直接膨張式の冷媒供給装置（以下直膨式冷却サイクル）が、例えば特許文献１により提案されている。直膨式冷却サイクルでは冷媒の蒸発潜熱を利用するため冷却効率が高く、また冷媒の蒸発温度が圧力によって高速に制御可能である。上記より、電極への冷媒供給装置として直膨式を採用することによって、大入熱のエッチング処理時における半導体ウエハの温度を、高効率かつ高速に制御することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８９８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
直膨式冷却サイクルは、冷媒が液体から気体に蒸発する際の潜熱を利用して冷却を行い、冷媒の蒸発温度は圧力によって制御可能である。電極の冷媒流路内において冷媒が気液二相状態にある場合には、冷媒の圧力が一定であれば蒸発温度も一定である。一方、冷媒流路内において冷媒の相変化（例えば、液体→気液二相→気体）が起きた場合には、冷媒圧力を一定に保っていても冷媒の温度は流路内において一定を保てなくなる。結果として、電極ひいては電極上の被加工試料の面内温度を均一に制御することができない。
【０００７】
本発明の目的は、直膨式冷却サイクルを用いて被加工試料の面内温度を面内均一に制御するために、電極の流路内における冷媒を気液二相状態に保つことができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、直膨式加熱サイクルにおいても、被加工試料の面内の温度を均一に制御可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。 
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器として、前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁を備える冷却サイクルが構成されており、前記冷媒流路は、前記試料台に設けられた供給口及び排出口を備えており、該冷媒流路の流路断面積は、前記供給口から前記排出口に向かって順次増加するように構成されており、前記冷却サイクルの冷媒流路に供給され、排出される温調用冷媒の温度と流量を制御する冷媒蒸発器制御部と、前記凝縮器の熱交換能力を制御する凝縮能力制御部とを備えており、前記被加工試料の処理時に、前記試料台の前記蒸発器に供給される前記温調用冷媒を気液二相の状態に保つように前記温調用冷媒を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電極流路内に供給する冷媒のエンタルピを調整し、電極流路内における冷媒の流動様式を気液二相流に保つことで、電極面内温度ひいてはウエハ面内温度を均一に制御することが可能となる。具体的には、電極に流入する直前の冷媒について凝縮能力を制御することで、冷媒と熱交換用水の過剰な熱交換を抑制することが可能となり、冷媒流路内において流動様式が気液二相流に保たれ、被加工試料の温度を面内均一に制御することができる。
【００１１】
さらに、本発明により、高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング時のウエハの温度を、直接膨張サイクルを用いて面内均一に制御することが可能な試料台用の温調ユニットを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の代表的な実施例によれば、真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、試料台に設けられ冷却サイクルの蒸発器を構成する冷媒流路を有し、前記冷媒流路内に供給される冷媒のエンタルピを制御することで冷媒流路すなわち試料台内の流動様式を気液二相流に保つことにより、被加工試料の温度を面内均一に制御することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明では、真空排気手段を有する真空容器に、ガス導入手段により導入された原料ガスをプラズマ化し、該プラズマにて被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、試料台を第１の熱交換器として、圧縮機、第２の熱交換器、膨張弁を備える加熱サイクルが構成され、前記冷媒流路内に供給される冷媒のエンタルピを制御することで冷媒流路すなわち試料台内の流動様式を気液二相流に保ち、被加工試料の温度を面内均一に制御することを特徴とする。
【００１４】
なお、本発明により提案されるプラズマ処理装置における温調ユニットは、プラズマエッチング装置にのみに限定されず、アッシング装置、スパッタ装置、イオン注入装置、レジスト塗布装置、プラズマＣＶＤ装置などの高速かつ面内均一なウエハの温度制御を必要とする装置にも転用が可能である。  
本発明を実施するための最良の形態を、以下図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明を試料台の温度制御のための冷却サイクルとしてプラズマ処理装置に適用した、第一の実施例を図１Ａ乃至図５Ｃで説明する。  
図１Ａは、本発明の一実施例になるプラズマ処理装置の全体的なシステム構成を示す模式図である。プラズマ処理装置は、真空容器内に配置された処理室３０を有し、この処理室３０の内部には静電吸着電極を備えた試料台１が配置されている。また、処理室３０にはその内部を排気して減圧するための真空ポンプ等の真空排気装置２０が接続されている。処理室３０の上部には電極プレート１５が設けられており、これに高周波電力を供給するためのアンテナ電源２１が接続されている。なお、処理室３０の上部には、処理ガスを供給するシャワープレート（図示略）などのガス導入手段も設けられている。
【００１６】
試料台１は、基材部（下部電極）１Ａと被処理基板(ウエハ)Ｗを静電吸着にて安定して載置するための誘電体膜１Ｂとを備えている。基材部１Ａには、内部を温調用の冷媒が循環する冷媒流路２が設けられている。試料台１の試料載置面上とウエハの裏面側の微小隙間には、伝熱ガス供給系１３から熱伝達用のＨｅガス１２が供給される。試料台１には、高周波のバイアス電源２２や静電吸着用の直流電源（図示略）が接続されている。
【００１７】
試料台１の基材部１Ａに設けられた冷媒流路２には、冷媒供給口３及び冷媒排出口４が接続されている。冷媒流路２は、入口側冷媒流路５Ａ、出口側冷媒流路５Ｂ、圧縮機７、凝縮器８、電極入口側の膨張弁（以下、第１の膨張弁）９、電極出口側の膨張弁（以下、第２の膨張弁）１０、冷媒蒸発用ヒータ１１と共に、直膨式冷却サイクルを構成している。ここで、試料台１に設けられた冷媒流路２は、直膨式冷却サイクルの蒸発器を構成するものである。すなわち、試料台１内の冷媒流路２内において冷媒が蒸発する際の潜熱(気化熱)により、冷媒と接している試料台１の冷却が行われる。冷媒には、例えばR４１０（ハイドロフルオロカーボン）を用いる。尚、凝縮器８には熱交換用冷媒流路２５に対するバイパス用の流路１４と制御弁２７とが設置され、また凝縮器８内の熱交換用冷却水流路２９に供給する熱交換用水の流量を制御する流量弁１６、熱交換用水の温度を管理する温度制御水槽１７などが冷却水流路２８の途中に設置されている。バイパス用の流路１４の途中にはこの通路を開閉する制御弁２６が設置されている。また、冷媒蒸発用ヒータ１１は電熱ヒータ又は凝縮器８と同様の熱交換器などで構成される。
【００１８】
６は、試料載置面に近接して複数個所に設けられた温度センサである。１００は試料台温度コントローラであり、温度センサ６からの出力を受けて圧縮機７、第１の膨張弁９、第２の膨張弁１０、冷媒蒸発用ヒータ１１および凝縮器８の排熱能力を制御することにより、試料載置面上の被処理基板(ウエハ)Ｗの温度が目標値になるように制御する。凝縮器８の排熱能力は、バイパス流路１４、制御弁２６、２７、流量弁１６、温度制御水槽１７等を制御することにより可変である。なお、試料台温度コントローラ１００はプラズマ処理装置の上位のコントローラ（図示略）に接続されている。この上位のコントローラはレシピ選択部を備えており、選択されたレシピのデータに基づいてプラズマ処理装置及び試料台温度コントローラ１００が運転・制御される。
【００１９】
試料台温度コントローラ１００は、演算処理装置や記憶装置、入出力手段及び記憶装置などに保持されたソフトウエアで実現される。図１Ｂに試料台温度コントローラの機能的な構成例を示す。試料台温度コントローラ１００は、試料台の温度をウエハＷの処理に適した温度に制御するために、冷却サイクルの関連する機器全体を統括的に制御するための温度統括制御部１０１、冷媒蒸発器（冷媒流路２）の圧力（＝蒸発温度）や流量を制御する冷媒蒸発器の圧力・流量制御部（冷媒蒸発器制御部）１０２、凝縮器の排熱能力制御部１０３、冷媒用ヒータの制御部１０４、静電吸着・伝熱ガス制御部１０５などを備えている。冷媒蒸発器の圧力・流量制御部１０２は、試料台の入口側に位置する第一膨張弁９の開度を制御する第一膨張弁の開度制御部１０６、試料台の出口側に位置する第二膨張弁１０の開度を制御する第二膨張弁開度制御部１０７、圧縮機の回転数制御部１０８などを備えている。試料台温度コントローラ１００は、さらに、入力手段１１０、出力手段１２０、記憶装置１３０を備えている。凝縮器の排熱能力制御部（凝縮能力制御部）１０３は、制御弁２６、２７によるバイパス流路１４の制御、流量弁１６あるいは温度制御水槽１７による冷却水流路２８の制御により凝縮器８の熱交換能力（凝縮能力）、すなわち排熱能力を制御する。試料台温度コントローラ１００には、入力手段１１０を介して、試料台温度センサ６で検出されたウエハＷの温度の検出結果１１１や、ウエハのプロセス条件を設定するための種々のレシピ１１２のデータ等が入力される。このプロセス条件には、例えば処理室３０内の圧力、アンテナ電源２１の電力値、高周波のバイアス電源の電力値、処理ガスの種類や流量、ウエハＷの面内温度分布特性などである。プロセス条件は、予め決められたものでもよいし、あるいはウエハのロット毎に設定、変更してもよい。さらに、出力手段１２０からの出力により、第一膨張弁９などの冷却サイクル構成機器が制御される。
【００２０】
ウエハＷの温度は、プラズマエッチング等の処理条件、すなわちプラズマからウエハＷへの入熱状況により変化する。プラズマの生成状態、ひいてはウエハＷへの入熱状況は、アンテナ電源２１及びバイアス電源２２から供給される電力量により決定される。また、ウエハＷからの放熱状況は、静電吸着力、ウエハの裏面側の伝熱ガスの圧力、試料台の温度などにより決定される。さらに試料台の誘電体膜１Ｂ内などに電力によるヒータが設置される場合にはその発熱量も考慮する必要がある。そのため、温度統括制御部１０１は、直膨式冷却サイクルを含め関連する装置全体を統括的に制御するために、ウエハの処理レシピ１１２や温度センサ６で検出された温度に基づいて、所定の演算処理を行い、その結果にもとづいて、冷媒蒸発器の圧力・流量制御部１０２が、冷媒流路２を流れる冷媒流量、冷媒圧力（冷媒蒸発温度）などを制御することで、ウエハＷの温度が目標値に維持されるように制御する。なお、静電吸着力、ウエハの裏面側の伝熱ガスの圧力、ヒータの発熱量などもウエハＷの温度に影響するが、本発明の特徴ではないので、以下、説明を省略する。
【００２１】
本発明において、蒸発器を構成する冷媒流路２は、冷媒流路内の冷媒にドライアウトが発生しないように冷媒流量が制御されており、かつ冷媒流路の断面積が供給口から排出口に向かって順次増加するように構成されている。これを図２及び図３（図３Ａ、図３Ｂ）で説明する。
【００２２】
図２は、図１ＡのＡ−Ａ断面を示すものである。図２において、基材部１Ａの同じ高さの位置に、環状の冷媒流路２が形成されている。冷媒流路２は、冷媒供給口３に接続され左右２方向に分岐した第一流路２−１と、第一の連絡流路２Ｂ−１を経て左右２方向に分岐した第二流路２−２と、第二の連絡流路２Ｂ−２を経て左右２方向に分岐した第三流路２−３とを有し、第三流路２−３は冷媒排出口４に接続されている。
【００２３】
なお、本発明を採用するにあたって、試料台１の温度分布をより精度良く均一に制御したい場合には、冷媒流路２の領域をより多元化すればよい。例えば、冷媒流路２を、試料台１の外周端に近い位置に設けられた冷媒供給口３に接続され、左右２方向に分岐した第一流路と、第一の連絡流路を経て左右２方向に分岐した第二流路と、第二の連絡流路を経て左右２方向に分岐した第三流路と、第三の連絡流路を経て左右２方向に分岐した第四流路と、第四の連絡流路を経て左右２方向に分岐した第五流路とを有し、第五流路を試料台１の中央に近い位置に設けられた冷媒排出口４に接続することで、より多元化した構成が得られる。また、冷媒供給口３と冷媒排出口４の設置位置、及び冷媒流路２の断面積の大小関係を逆転させても良い。
【００２４】
冷媒は、気液二相状態にて冷媒供給口３から冷媒流路２内に流入し、蒸発潜熱にて試料台１を冷却し、同状態にて冷媒排出口４から流出する。冷媒の熱伝達率は冷媒供給口３から冷媒排出口４に向けて大きく変化することから、冷媒の熱伝達率を冷媒流路２内で一定にするために、冷媒流路２の断面積は第一流路２−１から第三流路２−３に向けて増加する構造とした。これにより、冷媒の熱伝達率が上昇する乾き度領域において冷媒の流速を下げることで、冷媒の熱伝達率の上昇を抑制する。
【００２５】
このための具体的な構成例について、図３（図３Ａ、図３Ｂ）で説明する。  
すなわち、本実施例では、試料台１内の冷媒流路２内において冷媒が蒸発する際の潜熱(気化熱)により冷媒と接している試料台１の冷却が行われる構成である。この冷媒の熱交換(蒸発)が生じている冷媒流路２内では、冷媒が気液二相の状態である。すなわち、乾き度をＸとすると、０＜Ｘ＜１であり、この状態で冷媒の圧力Ｐが一定である限り冷媒の蒸発温度は理論的に一定である。一方、冷媒の温度ＴEは、基本的に冷媒の圧力Ｐが増大するにつれて大きくなる。
【００２６】
そこで本発明では、膨張弁９、１０の開度により冷媒の圧力Ｐを制御することや、圧縮機７の回転数により冷媒の流量Ｑを調節することで、冷媒流路２内の冷媒温度ＴEを設定する構成とした。
【００２７】
図３Ａに、直膨式冷却サイクルの冷媒熱伝達率αの特性、図３Ｂに圧力損失ΔＰの特性を示す。図３Ａ、図３Ｂに実線で示した「流路断面積変更」のグラフは、本発明に基づき複数の領域の流路断面積が連続的に理想的な値に変更された場合を示し、太い点線で示した「本実施例」のグラフは図２で示したステップ状に拡大する流路断面形状に相当する。また、細い点線で示した「流路断面積一定」のグラフは、従来の一般な流路構成、すなわち、冷媒流路２の入口３から出口４までの間の各領域の流路断面積が一定の場合における、乾き度Ｘと熱伝達率αおよび圧力損失ΔＰの関係を示したものである。
【００２８】
直膨式冷却サイクルは、冷媒が液体から気体に蒸発する際の潜熱を利用して冷却を行い、冷媒の蒸発温度は圧力によって制御可能である。
【００２９】
冷媒は、液体と気体の割合（乾き度Ｘ）が変化しても、気液二相状態かつ圧力Ｐが一定であれば、蒸発温度ＴEは変化しない。しかし、冷媒の蒸発が進行して乾き度が変化すると、「流路断面積一定」の場合、図３Ａに細い点線で示したように、熱伝達率αが大きく変化してしまう。一方、図３Ｂに細い点線で示すように、冷媒の蒸発によって乾き度が変化すると、冷媒流路の単位長さあたりに発生する冷媒の圧力損失ΔＰも大きく変化する。
【００３０】
直膨式冷却サイクルでは、液体から気体に相変化する過程において、冷媒の伝熱様式が強制対流蒸発、ドライアウトと変化する。冷媒の蒸発初期から強制対流蒸発が開始し、その後、乾き度Xの上昇に伴って熱伝達率αおよび圧力損失が上昇する。そして、冷媒の乾き度Ｘが一定に達すると、ドライアウト（液膜の消失）が発生して熱伝達率αおよび圧力損失ΔＰが低下する。ただし、圧力損失ΔＰは熱伝達率のように急激には低下しない。このように直膨式冷却サイクルでは冷媒の乾き度Ｘによって冷媒の熱伝達率αおよび圧力損失ΔＰが大きく変化するため、前記したように直膨式冷却サイクルをウエハ用の冷却機構として採用する際には、ウエハ面内の温度分布制御が技術的な課題となっているのである。
【００３１】
上記のとおり、冷媒の相変化に伴う熱伝達率αと圧力損失ΔＰを制御してウエハ面内の温度均一性を得るために、本発明では冷媒流路２内の冷媒にドライアウトが発生しないように冷媒流量を制御し、かつ冷媒流路２の各領域の断面積が冷媒の相変化に対応して供給口３から排出口４に向かって順次増加するように構成した。
【００３２】
すなわち、図３Ａに示す流路断面積が一定の一般的な特性において冷媒の熱伝達率αの大きい所に相当する位置、換言すると冷媒排出口４に近い領域では、流路断面積を大きくして冷媒の流速を低下させることで冷媒の熱伝達率αを下げる。これにより、図３Ｂの圧力損失ΔＰが大きい所、換言すると冷媒排出口４に近い領域で流路断面積が拡大することとなり、圧力損失の抑制にもつながる。上記構成により、結果的に冷媒流路２の供給口３から排出口４までの間における熱伝達率αの特性をフラットに近づけ、かつ圧力損失ΔＰによる冷媒温度の変化を低減できる。
【００３３】
このように、基材部１Ａに設けられた冷媒流路２の断面積を供給口３から排出口４に向けて順次大きくなるように構成することで、冷媒流路２内で冷媒の熱伝達率αの均一化を図り、かつ圧力損失ΔＰを抑制することができる。
【００３４】
つまり、冷媒流路２内でドライアウトが発生しないように冷媒流量が制御されている状態において、冷媒流路の断面積が供給口３から排出口４に向かって順次増加する構造とすることで、冷媒の相変化による熱伝達率αの変化を低減しながら圧力損失ΔＰに起因する冷媒蒸発温度の不均一を抑制し、試料台１の電極面内の温度を均一に保つことが可能となる。
【００３５】
ところで、図３Ａ、図３Ｂに示した、冷媒流路の断面積を冷媒流路内の冷媒相変化に対応して連続的に変化させる構造を採用し、冷媒熱伝達率を流路内で均一化し、かつ圧力損失を低減させ、被加工試料の温度を面内均一に制御する方法は、冷媒が気液二相状態である場合において、所望の熱伝達率特性が得られる。
【００３６】
冷媒が液状態や蒸気状態の場合には顕熱による冷却となるため、冷媒圧力が一定であってもエンタルピの変化に伴って冷媒の温度が変化してしまう。このため、直膨式冷却サイクルを用いて電極面内温度ひいてはウエハ面内温度を均一に制御するためには、電極の流路形状（断面積）を熱伝達率及び圧力損失を考慮して最適化すると同時に、プロセス条件の変化の如何に拘わらず、電極に供給、そして排出される冷媒が常に気液二相流状態になるように、温調システムを構成する必要がある。
【００３７】
特に、プラズマエッチングによるウエハの処理の開始時に試料台の試料載置面を速やかに所定の温度条件にすることや、ウエハの処理レシピの変更に伴いウエハＷへの入熱状況が大きく変化するにもかかわらず試料載置面の温度を一定に維持する必要がある場合、あるいは処理レシピの変更に伴い、試料載置面の温度を速やかに他の設定温度に変更する必要がある場合等、過渡的な状態であっても、要求される試料台の温度制御特性を満たす必要がある。より具体的には、ウエハの微細加工用の試料台に適した温調ユニットとして、１℃／１秒程度のダイナミックな温度変化があっても、試料台内の冷媒が常に気液二相流状態になるように、温調システムを構成することが求められる。
【００３８】
本発明の温調システムは、このようなダイナミックな温度変化、あるいはダイナミックな入熱状況の変化がある場合でも、試料台に設けられた冷媒流路２の冷媒が常に気液二相状態を維持し、ウエハ面内温度を高速に所望の温度に制御することを可能にするものである。
【００３９】
以下、本発明の温調システムの構成と作用を図４に示す。ここでは、プロセス処理条件が大きく変化する過渡的な状態、例えば、ウエハへのバイアス印加電力が低あるいは中程度の低入熱エッチング状態から、高バイアス電力となり大入熱エッチングに変化する場合において、試料台温度コントローラ１００によりウエハの処理条件の変化に対応させ、図４の（ａ）のように時間Ｔ１で温度下降制御を開始し、ウエハの温度を高速に低下させる場合の制御例を示している。  
まず、時間Ｔ１で、圧縮機７の回転数を増加させることで電極に供給する冷媒量を増加させ（図４（ｂ））、冷媒の熱伝達率の向上ならびに冷媒流路２内でのドライアウトの発生を抑制する。第１の膨張弁９は開度を低下（図４（ｃ））、また第２の膨張弁１０は開度を増加させる（図４（ｄ））ことで、電極流路２内における冷媒の圧力を低下させて冷媒の蒸発温度を低下させる。この際、ウエハ温度を低下させると同時に電極の温度も同時に低下させることが必要となり、冷却サイクルが回収する熱量は急激に上昇する。このため、冷媒蒸発用ヒータ１１の吸熱能力を低下させ（図４（ｅ））、さらに凝縮器８の排熱能力（熱交換）を増加させる（図４（ｆ））必要がある。凝縮器８の排熱能力を増加させる際には、流量弁１６または温度制御水槽１７を用いて凝縮器８に供給される熱交換用水の流量を増加させるか、または温度を下げるように制御すればよい（図４では流量制御の例を示している）。凝縮器８の排熱能力の制御方法の詳細は、下記（図５Ａから図５Ｃ）にて述べる。
【００４０】
また、本発明のシステムを用いてウエハの温度を高速に上昇させる場合には、上記図４の制御パターンと逆の制御を行なえばよい。なお、バイパス流路１４などを用いて凝縮器８の排熱能力を完全にゼロとすれば、サイクルは冷却側から加熱側に切り替わる。
【００４１】
図５Ａは、本実施例に採用されている冷却サイクルにおける冷媒の一般的な特性を示すグラフである。本実施例では、図１Ａのように試料台１内の冷媒流路２内において冷媒が蒸発する際の潜熱(気化熱)を利用して冷媒と接している試料台１の冷却が行われる構成である。冷媒流路２内において冷媒が気液二相状態（乾き度Ｘ＝０より大きく１未満、０：液体、１：気体）の場合には冷媒圧力（Ｐ）が一定である限り冷媒の蒸発温度（ＴＥ）は理論的に一定である。冷媒の温度は基本的に冷媒の圧力が増大するにつれて高くなる。これに対し、冷媒が液体又は気体状態にある場合には、冷却は冷媒の顕熱で行われることとなり、冷媒圧力を一定に保っても、エンタルピの変化に応じて冷媒の温度は変化する。図５Ａにおいても、液体又は気体領域ではエンタルピの変化と共に温度（等温線）が変わることが確認できる。つまり、冷媒流路２内において冷媒の流動様式に飽和液体または飽和気体の状態が含まれる場合には、電極面内温度ひいてはウエハ面内温度を均一に制御することが困難となる。尚、ここでのエンタルピとは冷媒１ｋｇが持つ熱量のことを示している。
【００４２】
図５Ｂに、比較例として、本実施例に採用されている冷却サイクルにおける凝縮器の排熱能力制御部１０３を動作させない場合の、サイクルの一般的な特性を示す。冷媒流路２内で蒸発しながらエネルギを得てエンタルピが増大した冷媒は、やがて完全蒸発して気液二相状態から蒸気（気体領域）に達する。その後、圧縮機により圧縮され、凝縮器にて凝縮されて排熱することで冷媒は蒸気から気液二相を通過して液状態に流動様式が変化する。液状態の冷媒は、第１の膨張弁９により減圧（膨張）され、冷媒の蒸発温度が決定される。冷媒が気液二相状態の場合には冷媒圧力が一定である限り、冷媒蒸発温度ＴEは一定である。
【００４３】
ここで、例えば図５Ｂに示すように第１の膨張弁９で減圧された冷媒が液体で冷媒流路２に供給された場合、冷媒が気液二相状態に達するまでの液状態においては、エンタルピの変化により冷媒の温度が変化する。図５Ｂを用いて具体的に示せば、冷媒流路２内の冷媒蒸発温度ＴEを０℃（気液二相状態において）に設定しようと冷媒圧力を調節しても、凝縮が過剰なため液状態において冷媒温度は−２０℃まで低下して冷媒流路２に供給される。つまり、冷媒流路２には−２０℃の液状冷媒が供給され、冷媒はエネルギを得ながらやがて気液二相状態に達することで、冷媒の蒸発温度ＴEは設定値の０℃となる。液状態における−２０℃から気液二相状態における０℃まで変化する間に、冷媒はiＢ−iＡのエンタルピ増加が必要である。一方、図５Ｂのように冷媒流路２内でエンタルピがｉCまで増加して冷媒が完全気化した場合には、完全気化した冷媒が流れる領域の冷却能力は急激に低下する。
【００４４】
上記のように、冷媒流路２内において冷媒の流動様式を気液二相状態に保たない限り、冷媒圧力を一定にしても冷媒流路２内の冷媒温度は一定とならず、電極面内ひいてはウエハ面内温度を均一に制御することができない。
【００４５】
これに対し、図５Ｃに、本発明の実施例１に採用されている冷却サイクルにおける凝縮器の排熱能力制御部１０３を動作させた場合の、冷媒の流動様式制御方法を示す。ここでは、冷媒流路２内において冷媒を気液二相状態に保ち、かつ冷媒の蒸発温度を０℃に設定する例を示す。まず、冷媒流路２に供給する冷媒量はプラズマからの入熱に対して過剰に供給することで、冷媒流路２の出口においても冷媒は気液二相状態を保ったまま排出される。例えば、冷媒流路２内において冷媒のエンタルピが図５Ｃ中のｉＦまで上昇した場合には、冷媒は完全に気化してしまう。そのため、圧縮機７により冷媒流量を増加することで、冷媒流路２内において冷媒のエンタルピはiＥ程度までとなるように制御し、冷媒流路から排出された冷媒を冷媒蒸発用ヒータ１１にて完全蒸発（エンタルピｉＦまで上昇）させればよい。
【００４６】
次に、電極に供給される冷媒を気液二相状態に保ちたい場合には、凝縮能力を制御し、過剰な排熱を抑制する必要がある。図５Ｃで示せば、液領域において０℃の等温線上（iＤ）までエンタルピを減少させればよい。凝縮能力が過剰である場合、冷媒は液状において設定温度の０℃よりも更に低くなってしまう。凝縮能力の制御は、凝縮器８内にて熱交換する水の流量又は温度を制御することで達成される。これにより、第１の膨張弁９を経て冷媒流路２に供給される冷媒は、気液二相かつ０℃となる。尚、図５Ｃ中に（Ａ）で示すように凝縮中の冷媒を飽和液線（乾き度＝０）に達する前に第１の膨張弁９にて減圧してもよいが、第１の膨張弁９位置にて冷媒が気液二相状態（フラッシュガス状態）であると、第１の膨張弁９の開度に対する冷媒の圧力変化特性が不安定となり、温度の制御性が低下する恐れがある。
【００４７】
本実施例によれば、電極流路内に供給する冷媒のエンタルピを調整し、電極流路内における冷媒の流動様式を気液二相流に保つことで、電極面内温度ひいてはウエハ面内温度を均一に制御することが可能となる。具体的には、電極に流入する直前の冷媒について蒸発能力を制御することで、冷媒と熱交換用水の過剰な熱交換を抑制することが可能となり、冷媒流路内において流動様式が気液二相流に保たれ、被加工試料の温度を面内均一に制御することができる。
【００４８】
さらに、エッチング処理条件の変化に即応した高速かつ面内均一なウエハの温度制御を行うことができる。例えば、低ウエハバイアス電力の印加状態から高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング状態への短時間での変更があっても、ウエハの温度を、直接膨張サイクルを用いて面内均一に制御することが可能な試料台用の温調ユニットを提供できる。
【実施例２】
【００４９】
本発明の第２の実施例として、本発明を試料台を加熱、冷却の双方の温度制御を行うためのヒートポンプサイクルとしてプラズマ処理装置に適用した実施例を図６（図６Ａ、図６Ｂ）、図７で説明する。  
第２の実施例において、ヒートポンプサイクルを冷却サイクルとして使用する場合、その基本的な構成、機能は実施例１（図１参照）に採用されているサイクルと同じものである。図６に、冷媒供給／排出方向切換え制御手段１４２で制御される冷媒流路２に対する冷媒の供給/排出口の切換え機構の一例を示す。ヒートポンプサイクルは、第１の熱交換器（試料台１に設けられた冷媒流路）２と、（直膨式冷媒供給装置６０内の）圧縮機７、第２の熱交換器（凝縮器）８、第１の膨張弁９、第２の膨張弁１０、冷媒蒸発用ヒータ１１を備えている。また、凝縮器８にはバイパス用の流路１４と制御弁２７とが設置され、流量弁１６、温度制御水槽１７などが冷却水流路２８の途中に設置されている点も、実施例１と同じである。
【００５０】
一方、ヒートポンプサイクルを加熱サイクルとして使用する場合、冷媒流路２に対する冷媒の供給/排出口の関係を冷却サイクルとは逆の関係に切り換える。また、第１の熱交換器（試料台１に設けられた冷媒流路）２は凝縮器、（直膨式冷媒供給装置６０内の）第２の熱交換器８は蒸発器として機能する。したがって、試料台温度コントローラ１００は、図１Ｂに示した各機能に相当する機能、すなわち、温度統括制御部、第１の熱交換器の圧力・流量制御部１０２、第２の熱交換器の排熱能力制御部１０３、冷媒用ヒータの制御部１０４、静電吸着・伝熱ガス制御部１０５、第一膨張弁の開度制御部１０６、第二膨張弁開度制御部１０７、圧縮機の回転数制御部１０８に加えて、加熱／冷却運転制御部１４１や、運転モード（加熱サイクル、冷却サイクル）の切替えのための、冷媒供給／排出方向切換え制御手段１４２を備えている。
【００５１】
図２に示すように、電極内の冷媒流路２が冷媒の熱伝達率の変化に応じて断面積が最適化させている場合、冷却サイクルの気液二相流は冷媒流路内にて熱伝達率がほぼ一定となる。これは前述した通り、流路断面積が一定の一般的な特性において冷媒の熱伝達率の大きい所では、流路断面積を大きくして冷媒の流速を低下させることで冷媒の熱伝達率を下げる。逆に、冷媒の熱伝達率が小さい所では、流路断面積を小さくして冷媒の流速を増大させることで冷媒の熱伝達率を上げる。このようにして、電極内冷媒流路の入口から出口において熱伝達率の値をフラットなものにできる。
【００５２】
これに対し、冷媒が加熱サイクルの場合、冷媒流路２内における冷媒の熱伝達率変化は冷却サイクルの時と逆の特性を示す。つまり、凝縮・排熱時においては冷媒の供給口にて熱伝達率が最大となり、冷媒の排出口において熱伝達率は最小となる。このため、加熱サイクルにおいて電極面内を均一に加熱するためには、冷却サイクルに対して冷媒流路２の冷媒供給/排出口を逆転させる必要がある。
【００５３】
これは、図６（図６Ａ、図６Ｂ）のように、冷媒流路５Ａ（５Ａ１，５Ａ２）や冷媒流路５Ｂ（５Ｂ１，５Ｂ２）の一部をバイパスするためのバイパス配管５Ｃ、５Ｄと開閉バルブ４１〜４４を設置することにより、冷媒流路２への冷媒の供給方向は容易に切換え可能となる。すなわち、冷却サイクル時は、図６Ａに示したように、第１の弁４１、第２の弁４２を「開」とし、第３の弁４３、第４の弁４４を「閉」とし、冷媒流路５Ａ（５Ａ１，５Ａ２）が試料台１の中央側の冷媒供給口３に接続され、蒸発器として機能する第１の熱交換器（試料台１に設けられた冷媒流路）２を経て、試料台１の外周側の冷媒排出口４に冷媒流路５Ｂ（５Ｂ１，５Ｂ２）が接続され、冷媒流路５Ｂがさらに、（直膨式冷媒供給装置６０内の）第２の熱交換器（蒸発器）８に接続されるようにすれば良い。また、加熱サイクル時は、図６Ｂに示したように、第１の弁４１、第２の弁４２を「閉」とし、第３の弁４３、第４の弁４４を「開」とし、冷媒流路５Ａ１、バイパス配管５Ｃ、冷媒流路５Ｂ１が外周側の冷媒供給口４に接続され、凝縮器として機能する第１の熱交換器（試料台１に設けられた冷媒流路）２を経て、試料台１の中央側の冷媒出口３に冷媒流路５Ａ２、バイパス配管５Ｄ、冷媒流路５Ｂ２が接続され、さらに、（直膨式冷媒供給装置６０内の）第２の熱交換器（蒸発器）８に接続されるようにすれば良い。
【００５４】
次に、図７に、第２の実施例の加熱サイクルを用いて加熱運転を実施する際の、冷媒の流動様式制御方法を示す。加熱サイクルでは、第１の熱交換器すなわち冷媒流路２内で冷媒を凝縮して冷媒から電極に熱を移動させることで電極基材部１Ａを加熱する。
【００５５】
サイクル内の動作としては、まず第２の熱交換器８に供給する熱交換用水の供給を停止し、第２の膨張弁１０を絞ることで、冷媒蒸発用ヒータ１１にて冷媒を減圧して蒸発させ、吸収した熱を電極基材部１Ａの第１の熱交換器２で凝縮して排熱させる。尚、第２の熱交換器８の熱交換用水を供給停止する代わりに、凝縮器用のバイパス流路１４を設置してもよいが、バイパス流路１４を使用した際にはサイクル内の冷媒が凝縮器８内に溜まることでサイクル内の冷媒循環量が低下する可能性もある。
【００５６】
冷却サイクルと同様に、加熱サイクルにおいても液体又は気体状態においてはエンタルピの変化と共に冷媒温度が変わるため、冷媒流路２内において冷媒を気液二相状態に保ちながら加熱することによって、電極面内ひいてはウエハ面内の温度を均一に上昇させることができる。
【００５７】
加熱サイクルにおいて第１の熱交換器を構成する冷媒流路２内で気液二相状態を保つためには、圧縮機７で圧縮されて冷媒流路２内に供給される蒸気のエンタルピを制御する必要がある。このためには、第２の熱交換器８の熱交換用水の水量や温度を制御することで、例えばiＩまで増加していたエンタルピをiＨまで低下させ、冷媒流路２に供給すればよい。また、圧縮機７の回転数を制御することで必要な加熱能力に対して加熱サイクル内の冷媒循環量を十分に確保することで、図中に示す完全液化前のエンタルピiＧで冷媒流路２から冷媒を排出することが可能となり、冷媒流路２内において気液二相状態が保たれ、電極面内ひいてはウエハ面内を均一に加熱することができる。
【００５８】
本実施例によれば、電極流路内に供給する冷媒のエンタルピを調整し、電極流路内における冷媒の流動様式を気液二相流に保つことで、電極面内温度ひいてはウエハ面内温度を均一に制御することが可能となる。具体的には、電極に流入する直前の冷媒について凝縮能力を制御することで、冷媒と熱交換用水の過剰な熱交換を抑制することが可能となり、冷媒流路内において流動様式が気液二相流に保たれ、被加工試料の温度を面内均一に制御することができる。
【００５９】
さらに、高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング時のウエハの温度を、直接膨張サイクルを用いて面内均一に制御することが可能な試料台用の温調ユニットを提供できる。
【実施例３】
【００６０】
本発明の第３の実施例として、ボイド率測定器を備えた直接膨張サイクルの例を図８〜図１０で説明する。  
まず、図８に本実施例で使用する冷媒の流動様式を示す。図８の（ａ）は乾き度と熱伝達率の関係、（ｂ）は乾き度とボイド率の関係、（ｃ）は冷却サイクルにおける冷媒の流動様式を示している。一般的に冷却サイクルで使用されるハイドロフルオロカーボン系の冷媒は図８と同様の傾向を示す。冷却サイクルにおいて冷媒は液体から気液二相そして気体へと流動様式を変化させる。この際、前記の流動様式の変化に伴って冷媒内の気泡、つまりボイド率が増加していく。冷媒が液体の場合、ボイド率は０であり、冷媒が完全気体の場合にはボイド率は１になる。これより、冷媒流路２内の冷媒を常に気液二相状態に保ちたい場合には、電極に供給される冷媒、及び電極から排出される冷媒のボイド率を測定して、流動様式の監視と制御を行えばよい。ボイド率は触針式、Ｘ線やγ線による減弱法などにより測定が可能である。尚、冷媒は気体に変化する（完全気化）前に、ドライアウト（液膜の消失）が発生し、冷媒の熱伝達率が急激に低下する。このため、ボイド率にて気液二相状態を監視する場合には、ドライアウトが発生するボイド率を事前に把握し、電極から排出される冷媒のボイド率がドライアウト発生限界以下となるようにサイクル内の冷媒循環量を制御する必要がある。
【００６１】
図９に、本発明の第３の実施例になるプラズマ処理装置の全体的なシステム構成を示す。この実施例のプラズマ処理装置は、第１の実施例の構成に加えて、サイクル内における電極流路の冷媒供給側及び排出側にボイド率の計測手段としてボイド率測定器１８が設置されている。
【００６２】
ウエハＷの温度は、プラズマエッチ等の処理条件、すなわちプラズマからウエハＷへの入熱状況と、冷媒流路２内の冷媒による冷却又は加熱状況により変化する。電極内には温度センサが設けられ、冷却又は加熱サイクル時における冷媒の循環量及び蒸発温度が試料台温度コントローラ１００で制御される。
【００６３】
次に、実施例３の動作について、簡単に説明する。まずウエハＷが処理室３０に搬入され、下部電極１上に載置、固定される。ついで、プロセスガスが供給され、処理室３０は所定の処理圧力に調整される。次に、アンテナ電源２１及びバイアス電源２２の電力供給と、図示されない磁場形成手段の作用によりプラズマが生成され、このプラズマを用いたエッチング処理がなされる。プロセス中のウエハ温度の制御は、温度センサ６からの温度情報をモニタしながら試料台温度コントローラ１００にてフィードバック制御を行い、圧縮機７、第１の膨張弁９、第２の膨張弁１０、及び凝縮器８の排熱能力を調節して、冷媒の流量及び蒸発温度を調節することによって行なわれる。
【００６４】
この際、電極入口及び電極出口には冷媒のボイド率を測定するボイド率測定器１８が設置されており、冷媒流路２内において冷媒が気液二相状態に保たれていることを監視している。ボイド率の測定結果は試料台温度コントローラ１００の制御に反映されている。万一プラズマの入熱量等が経時的に増加するなどして冷媒流路２内で冷媒のドライアウトが発生するような場合には、圧縮機７の回転数を増加させ、冷媒流路２内におけるドライアウトの発生を抑制できる。また、冷媒流路２に供給される冷媒が液状になっていた場合には、熱交換水用の流量弁１６及び温度制御水槽１７の制御により、冷媒流路２内に供給される冷媒を気液二相状態に保つことができる。これにより、冷媒流路２内においては冷媒が常に気液二相状態であり、試料の面内温度を均一かつ高速に制御可能となる。
【００６５】
なお、ボイド率を定量的に測定する必要はないが、冷媒の流動様式や流動状態を簡易的に知りたい場合には、電極入口または電極出口にサイトグラスなどを設置すればよい。サイトグラスの外観を図１０に示す。サイトグラス５０は、ガラス等の透明窓５１を備えており、サイクル内の試料台外の冷媒流路５Ａ，５Ｂの一部を透明な構造とすることで、サイクル内の任意箇所における冷媒の様子を目視にて確認することができる。図１０の例では、液体中に気体の泡が存在している気液二相状態であることがわかる。
【００６６】
これらの構成及び制御方法を採用することにより、高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング条件においても、ウエハＷの面内全体で高精度な加工が可能となる。
【００６７】
このようなプロセスを経てエッチングが完了し、電力、磁場及びプロセスガスの供給が停止される。
【００６８】
尚、プラズマの生成手段が、ウエハＷの対面に配置された電極にウエハＷに印加されるのとは別の高周波電力を印加する方式、誘導結合方式、磁場と高周波電力の相互作用方式、試料台１に高周波バイアス電力を印加する方式のいずれの方式であっても、本発明が有効であることは言うまでもない。
【００６９】
また、本発明は、ウエハＷに３Ｗ／ｃｍ２以上の高周波バイアス電力を印加するような大入熱が生じる加工条件に対応し、アスペクト比が１５以上となる高アスペクトの深孔加工を行なう際にも有効である。プラズマ処理を行なう薄膜は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＣのいずれか１種類を主成分とする、難加工性の絶縁膜などの、単一の膜、または２種類以上の膜種にて構成される多層膜などが想定される。
【００７０】
なお、第２の実施例の加熱サイクルにおいても、本実施例と同様にサイクル内にボイド率測定器１８やサイトグラスを組み込むことで、同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００７１】
本実施例によれば、電極流路内に供給する冷媒のエンタルピを調整し、電極流路内における冷媒の流動様式を気液二相流に保つことで、電極面内温度ひいてはウエハ面内温度を均一に制御することが可能となる。具体的には、電極に流入する直前の冷媒について凝縮能力を制御することで、冷媒と熱交換用水の過剰な熱交換を抑制することが可能となり、冷媒流路内において流動様式が気液二相流に保たれ、被加工試料の温度を面内均一に制御することができる。
【００７２】
さらに、高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング時のウエハの温度を、直接膨張サイクルを用いて面内均一に制御することが可能な試料台用の温調ユニットを提供できる。
【実施例４】
【００７３】
本発明は、更に、冷媒流路２をウエハ面内の半径方向（内外）に多元的する構造であってもよい。すなわち、図１１に示すように冷媒流路２は、半径方向に異なる位置にある２つの冷媒供給口３、３’に接続された第一流路２−１、２−１’及び、断面積が拡大した第二流路２−２、２−２’及び、更に断面積が拡大した第三流路２−３、２−３’を有し、２つの第三流路は半径方向に異なる位置にある２つの冷媒排出口４、４’に接続されている。この実施例において、多元的（に設置された）冷媒流路２は、夫々独立した直膨式冷却サイクルの蒸発器（もしくは加熱サイクルの第１の熱交換器）を構成する。すなわち、上下２つの冷媒流路２が面内において各々独立した構造であり、各冷媒流路は、夫々独立した直膨式冷却サイクルの一部として構成される。各直膨式冷却サイクルの冷媒流路の領域の冷媒の圧力（冷媒蒸発温度）を別々に制御することで、試料台１上のウエハの面内温度分布を任意に制御することができる。これにより、高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング時のウエハの温度を、高速、面内均一、かつ広い温度範囲にて制御することが可能な温調ユニットを提供することができる。
【００７４】
また、上記各実施例に加えて、誘電体膜中にヒータ層が設けられている場合にも、本発明を適用できる。ウエハＷの温度は、プラズマエッチ等の処理条件、すなわちプラズマからウエハＷへの入熱状況と、各ヒータ領域の出力と、冷媒流路２内の冷媒による冷却状況により変化する。ヒータ層の各領域には夫々温度センサが設けられ、ヒータ電源から各ヒータ領域へ供給される電力が、冷却サイクルの流路２を流れる冷媒流量などと共に、試料台温度コントローラ１００で制御される。
【実施例５】
【００７５】
本発明は、更に、プラズマ処理装置の試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器とするものにおいて、冷媒流路の流路断面積が、供給口から排出口まで一定の構成の場合にも適用できる。すなわち、プラズマ処理装置の試料台に設けられ冷却サイクルの蒸発器を構成する冷媒流路内に供給される冷媒のエンタルピを制御することで冷媒流路すなわち試料台内の流動様式を気液二相流に保つことにより、被加工試料の温度を面内均一に制御することができる。あるいは、プラズマ処理装置の試料台を第１の熱交換器として、圧縮機、第２の熱交換器、膨張弁を備える加熱サイクルが構成されたものにおいて、冷媒流路内に供給される冷媒のエンタルピを制御することで冷媒流路すなわち試料台内の流動様式を気液二相流に保ち、被加工試料の温度を面内均一に制御することができる。例えば、加熱サイクルの場合、図７において、冷媒流路２内で気液二相状態を保つためには、圧縮機７で圧縮されて冷媒流路２内に供給される蒸気のエンタルピを制御する必要がある。このためには、第２の熱交換器８の熱交換用水の水量や温度を制御することで、例えばiＩまで増加していたエンタルピをiＨまで低下させ、冷媒流路２に供給すればよい。また、圧縮機７の回転数を制御することで必要な加熱能力に対して加熱サイクル内の冷媒循環量を十分に確保することで、図中に示す完全液化前のエンタルピiＧで冷媒流路２から冷媒を排出することが可能となり、冷媒流路２内において気液二相状態が保たれ、電極面内ひいてはウエハ面内を均一に加熱することができる。
【００７６】
本実施例では、すでに述べた実施例とは異なり、冷媒の熱伝達率が上昇する乾き度領域において冷媒の流速を制御し冷媒の熱伝達率の上昇を抑制する、という機能を欠いている。そのため、冷媒流路２内における冷媒の熱伝達や圧力損失の上昇を抑制できず、試料台上の被加工試料の面内温度を均一に制御するのが困難になるという欠点はあるが、試料台の冷媒流路の加工が容易であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１Ａ】本発明の第１の実施例にかかるプラズマ処理装置の構成を示す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａの試料台温度コントローラの機能的な構成例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例にかかる試料台内の流路構成を示す概略図である。
【図３Ａ】第１の実施例における直膨式冷却サイクルの冷媒熱伝達率αの特性を説明する図である。
【図３Ｂ】第１の実施例における直膨式冷却サイクルの圧力損失ΔＰの特性を説明する図である。
【図４】本発明にかかるプラズマ処理装置の制御例を示す概略図である。
【図５Ａ】本発明に採用されている冷媒の一般的な特性を示す図である。
【図５Ｂ】比較例として、本実施例に採用されている冷却サイクルにおける凝縮器の排熱能力制御部を動作させない場合の、一般的な動作例を示す図である。
【図５Ｃ】本発明に採用されている冷却サイクルの制御例を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第２の実施例にかかる試料台への冷媒供給方法（冷却サイクル）を示す概略図である。
【図６Ｂ】本発明の第２の実施例にかかる試料台への冷媒供給方法（加熱サイクル）を示す概略図である。
【図７】本発明の第２の実施例に採用されている加熱サイクルの制御例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施例に採用されている冷媒の一般的な特性である。
【図９】本発明の第３の実施例にかかるボイド率の計測手段を備えたプラズマ処理装置の全体的なシステム構成を示す概略図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に採用されているサイトグラスの例である。
【図１１】本発明の第４の実施例にかかる試料台内の流路構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…試料台、１Ａ…基材部、１Ｂ…下部電極（静電吸着電極）、２…冷媒流路（冷媒蒸発器）、３…冷媒供給口、４…冷媒排出口、５Ａ…入口側冷媒流路、５Ｂ…出口側冷媒流路、６…温度センサ、７…圧縮機、８…凝縮器、９…第１の膨張弁、１０…第２の膨張弁、１１…冷媒蒸発用ヒータ、１２…Ｈｅガス、１３…伝熱ガス供給系、１４…バイパス流路、１５…電極プレート、１６…流量弁、１７…温度制御水槽、１８…ボイド率測定器、２０…真空排気系、２１…アンテナ電源、２２…バイアス電源、３０…処理室、１００…試料台温度コントローラ、１０１…統括制御部、１０２…冷媒蒸発器の圧力・流量制御部、１０３…凝縮器の排熱能力制御部、１０４…冷媒用ヒータの制御部、１０５…静電吸着・伝熱ガス制御部、１０６…第一膨張弁の開度制御部、１０７…第二膨張弁の開度制御部、１０８…圧縮機の回転数制御部、１１０…入力手段、１２０…出力手段、１３０…記憶装置、Ｗ…ウエハ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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