(57)【要約】【課題】試料台の温度または分布を効率よく実現するプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、その上面に前記プラズマによる処理の対象である試料が載置され同心円状に配置され内側を冷媒が通流する複数の冷媒流路を有して第１の蒸発器として機能する試料台とを有したプラズマ処理装置であって、冷媒の入口及び冷媒の出口の各々に連結されて当該各々の冷媒の入口へ流入する冷媒及び各々の冷媒の出口から流出する冷媒の流量または圧力を調節する複数の上流側膨張弁と下流側膨張弁とを有して、前記冷媒が通流させる冷凍サイクルにおいて前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路を介して前記複数の下流側膨張弁の各々との間の複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節する。【選択図】  図１
2014011214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、その上面に前記プラズマによる処理の対象である試料が載置され同心円状に配置され内側を冷媒が通流する複数の冷媒流路を有して第１の蒸発器として機能する試料台と、前記複数の冷媒流路に配置された冷媒の入口及び冷媒の出口と、前記処理室の内部を排気して減圧する排気手段とを有したプラズマ処理装置であって、
これらの冷媒の入口及び冷媒の出口の各々に連結されて当該各々の冷媒の入口へ流入する冷媒及び各々の冷媒の出口から流出する冷媒の流量または圧力を調節する複数の上流側膨張弁と下流側膨張弁とを有して、圧縮機と凝縮器と前記複数の上流側膨張弁と前記複数の冷媒流路と前記複数の下流側膨張弁と第２の蒸発器とがこの順で冷媒の管路により連結されて構成され前記の順で冷媒が通流する冷凍サイクルにおいて、前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路を介して前記複数の下流側膨張弁の各々との間の複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路各々の冷媒の入口との間の複数の冷媒管路上に配置されこれらの冷媒管路内を通流する冷媒の温度を検知する検知器の検知結果に基づいて検出した前記複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
前記複数の冷媒流路が前記試料台の中央側に配置された中央側冷媒流路とその外周側に配置された外周側冷媒流路とを有し、前記中央側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における冷媒のコンダクタンスの逆数の和が前記外周側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における冷媒のコンダクタンスの逆数の和と等しくなるように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
前記複数の冷媒流路が前記試料台の中央側に配置された中央側冷媒流路とその外周側に配置された外周側冷媒流路とを有し、前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁は共通の構成を備えたものであって、前記中央側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における開度の逆数の和が前記外周側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における開度の逆数の和と等しくなるように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理装置であって、
前記中央側冷媒流路に連結された前記下流側膨張弁の開度と前記外周側冷媒流路の前記上流側膨張弁の開度との和が前記中央側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁の開度と前記外周側冷媒流路の前記下流側膨張弁の開度との和と等しくなるように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記凝縮器と複数の前記上流側膨張弁との間に、前記冷媒を流すためのメインライン及びこのメインラインに並列に配置されコンダクタンスの小さいキャピラリを有するバイパスラインと前記メインライン及びバイパスラインの各々の上流側に設けられてこれらを開閉する弁と前記メインライン及びバイパスラインの下流側に設けられた温度計とを備えたプラズマ処理装置。
【請求項７】
真空容器内部の処理室内に配置されその上面に前記プラズマによる処理の対象である試料を載置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
前記試料台は、その内部に同心円状に配置され内側を冷媒が通流する複数の冷媒流路と前記複数の冷媒流路に配置された冷媒の入口及び冷媒の出口とを有して第１の蒸発器として機能するものであって、
さらに、前記試料台が、前記冷媒の入口及び冷媒の出口の各々に連結されて当該各々の冷媒の入口へ流入する冷媒及び各々の冷媒の出口から流出する冷媒の流量または圧力を調節する複数の上流側膨張弁と下流側膨張弁とを有して、圧縮機と凝縮器と前記複数の上流側膨張弁と前記複数の冷媒流路と前記複数の下流側膨張弁と第２の蒸発器とがこの順で冷媒の管路により連結されて前記の順で冷媒が通流する冷凍サイクルを構成するものであって、
前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路を介して前記複数の下流側膨張弁の各々との間の複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理方法において、
前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路各々の冷媒の入口との間の複数の冷媒管路上に配置されこれらの冷媒管路内を通流する冷媒の温度を検知する検知器の検知結果に基づいて検出した前記複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載のプラズマ処理方法において、
前記複数の冷媒流路が前記試料台の中央側に配置された中央側冷媒流路とその外周側に配置された外周側冷媒流路とを有し、
前記中央側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における冷媒のコンダクタンスの逆数の和が前記外周側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における冷媒のコンダクタンスの逆数の和と等しくなるように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項７または８に記載のプラズマ処理装置において、
前記複数の冷媒流路が前記試料台の中央側に配置された中央側冷媒流路とその外周側に配置された外周側冷媒流路とを有し、前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁は共通の構成を備えたものであって、
前記中央側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における開度の逆数の和が前記外周側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁及び下流側膨張弁の各々における開度の逆数の和と等しくなるように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプラズマ処理方法であって、
前記中央側冷媒流路に連結された前記下流側膨張弁の開度と前記外周側冷媒流路の前記上流側膨張弁の開度との和が前記中央側冷媒流路に連結された前記上流側膨張弁の開度と前記外周側冷媒流路の前記下流側膨張弁の開度との和と等しくなるように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内部の処理室内に配置した試料台上の上面に半導体ウエハ等の基板上の試料を載置して当該処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング等の処理を行うプラズマ処理装置または処理方法に係り、冷凍サイクルを構成する前記試料台の内部の冷媒流路に冷媒を通流して試料台の温度を調節しつつ前記処理を行うプラズマ処理装置または処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より半導体デバイスの製造工程においては、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置などにより、半導体ウエハなどの試料に対しプラズマ処理が行われている。これらプラズマ処理においては、試料の温度が処理結果に強く影響する。具体的には、プラズマエッチング処理においては、エッチングによって試料表面に形成される加工パターンの寸法や加工形状に影響し、プラズマＣＶＤ処理においては、試料表面に形成される膜の品質や成膜速度に影響する。そのため、これらプラズマ処理において試料基板の表面に施す処理の質を向上させるために、試料温度を管理することは非常に重要である。
【０００３】
このようなプラズマ処理においては、試料の温度を制御するために、試料を保持する試料台の内部に配置された温度調節手段により、試料台内部および試料保持面の温度を調節する技術が採用されてきた。例えば、試料台内部に冷媒の流路を形成し、この流路内に液体冷媒を流入させ熱伝達によって試料台の温度を調節し、その試料を所望の温度に調節する装置体系が用いられている。このような場合は、配管を介して試料台に冷媒温度調節部（例えば、チラーユニット等）を接続し、冷媒温度調節部内の冷却装置又は加熱装置により所定の温度に調節された冷媒が試料台内部の流路内に供給され、プラズマからの入熱を吸熱した後、再度冷媒温度調節部に戻される。
【０００４】
このような冷媒温度調節部は、一旦この液体冷媒を貯留するタンクに溜めて、その温度を調節した後に冷媒を試料台に供給する構成となっている。この構成では、温度調節のために多量の冷媒を用いるため冷媒の熱容量が大きくなり、その結果、試料および試料台への入熱量が変化しても試料の温度を一定に保つために有利である。しかし一方で、積極的に試料および試料台の温度を大きく且つ速く変化させようとした場合、冷媒の熱容量が大きいために温度変化を速くしにくいという問題があった。また、液体冷媒と流路との間の熱交換が熱伝達のみであり伝熱量が小さいことも、試料台および試料の温度変化を速くできない原因の１つであった。
【０００５】
一方、半導体デバイスの製造においては、前述したようなプラズマ処理における試料である半導体ウエハの大口径化に伴い、処理中に試料に印加される電力は増加傾向にあり、その結果、試料および試料台への入熱量は以前よりも大きくなってきている。そのため、このような大きな入熱に対しても安定して高速且つ高精度に半導体基板の温度の調節を行う技術が求められている。さらに、半導体デバイス構造の複雑化や半導体基板表面の膜の多層化により、複数の膜の各々を処理する各処理ステップに応じて、試料の温度を速く適正に調節することが望まれている。
【０００６】
上記課題に対して、試料台を温調するための冷媒が循環する経路を、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器からなるヒートサイクルとして構成し、試料台内の冷媒の流路において冷媒を沸騰・蒸発させ、試料台をヒートサイクルの蒸発器の１つとして作用させる、直接膨張式の冷媒温度調節技術が提案されている。このような技術の例としては、特開２００８−３４４０９号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。
【０００７】
この特許文献１に記載のヒートサイクルの構成では、例えば代替フロンＲ４１０ａを冷媒として用いて、それを試料台内部の冷媒流路に導入することで、気液２相流状態の冷媒の蒸発潜熱を冷媒と流路壁面との間の熱交換に利用し、試料および試料台への大きな入熱量に対応できる。またさらに、膨張弁の開度を調節することによって流路内の冷媒の圧力を素早く調節することで冷媒の温度を素早く変化させることができ、その結果、試料台および試料の温度を素早く変化させられる。
【０００８】
さらに、特許文献１には、試料台内部の内側と外側とに冷媒の流路を同心状に配置し、それぞれの流路に冷媒を流せる構成にされており試料台の径方向の温度の分布を実現する構成が開示されている。すなわち、各流路の手前（上流側）にそれぞれ流量弁を設け、その開度を調節することにより各系統の冷媒の圧力を独立に制御でき、その結果、各系統の冷媒温度を制御できる。これにより試料台および試料の温度分布の制御が可能となる。
【０００９】
また、試料台内部の冷媒流路を流れる冷媒が、気液２相流状態にある場合は、プラズマからの入熱を吸熱したとしても、冷媒がその沸点よりも温度が上がらないため、冷媒流路を循環している間の冷媒温度が一定に保たれる。このため、円形の試料台の周方向の温度分布がより均一に近くなり、その結果、被処理体である半導体ウエハの周方向の温度分布をより均一に近いものにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−３４４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来技術では次の点についての考慮が不十分であるため問題が生じていた。すなわち、特許文献１では、各流路の出口の下流に冷媒の合流点があるため各流路の圧力差を大きくできず、その結果各流路における冷媒の条件、例えば温度あるいは蒸発温度の差を大きくすることが難しくなるという問題が有った。そのため、試料の温度の面内の差を大きくした分布を短時間で効率よく実現することが困難となっていた。
【００１２】
またさらに、通常のプラズマ処理においては、試料台に導入する冷媒を所定の温度あるいは蒸発温度に設定し、試料台および試料を処理にて期した所望の温度となるように調節する。しかしながら、前述した特許文献１には冷媒を目標温度に調節する具体的な方法が開示されていなかった。
【００１３】
また、試料台内部の流路の各々に独立した冷媒の温度調節手段、例えば冷凍サイクルを連結するという手段を採用すると、経路数と同じ個数の冷凍サイクルが必要となり、半導体製造装置の大型化やコストアップとなってしまう。
【００１４】
本発明は、試料を載置する試料台の冷媒流路を冷凍サイクルの一部として連結して試料台の温度を調節するプラズマ処理装置において試料台の温度またはその分布を効率よく実現するプラズマ処理装置または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】
【００１５】
上記目的は、真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、その上面に前記プラズマによる処理の対象である試料が載置され同心円状に配置され内側を冷媒が通流する複数の冷媒流路を有して第１の蒸発器として機能する試料台と、前記複数の冷媒流路に配置された冷媒の入口及び冷媒の出口と、前記処理室の内部を排気して減圧する排気手段とを有したプラズマ処理装置であって、これらの冷媒の入口及び冷媒の出口の各々に連結されて当該各々の冷媒の入口へ流入する冷媒及び各々の冷媒の出口から流出する冷媒の流量または圧力を調節する複数の上流側膨張弁と下流側膨張弁とを有して、圧縮機と凝縮器と前記複数の上流側膨張弁と前記複数の冷媒流路と前記複数の下流側膨張弁と第２の蒸発器とがこの順で冷媒の管路により連結されて構成され前記の順で冷媒が通流する冷凍サイクルにおいて、前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路を介して前記複数の下流側膨張弁の各々との間の複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理装置により達成される。
【００１６】
また、真空容器内部の処理室内に配置されその上面に前記プラズマによる処理の対象である試料を載置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、前記試料台は、その内部に同心円状に配置され内側を冷媒が通流する複数の冷媒流路と前記複数の冷媒流路に配置された冷媒の入口及び冷媒の出口とを有して第１の蒸発器として機能するものであって、さらに、前記試料台が、前記冷媒の入口及び冷媒の出口の各々に連結されて当該各々の冷媒の入口へ流入する冷媒及び各々の冷媒の出口から流出する冷媒の流量または圧力を調節する複数の上流側膨張弁と下流側膨張弁とを有して、圧縮機と凝縮器と前記複数の上流側膨張弁と前記複数の冷媒流路と前記複数の下流側膨張弁と第２の蒸発器とがこの順で冷媒の管路により連結されて前記の順で冷媒が通流する冷凍サイクルを構成するものであって、前記複数の上流側膨張弁の各々と前記複数の冷媒流路を介して前記複数の下流側膨張弁の各々との間の複数の冷媒の経路における前記冷媒の流量の変化が生じないように前記複数の上流側膨張弁及び下流側膨張弁の開度を調節するプラズマ処理方法により達成される。
【発明の効果】
【００１７】
試料台に導入する温調流体のドライアウトを防止すると共に、温調流体温度の制御を効率よく行える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例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２】図１に示す実施例の試料台の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す実施例の試料台の温度の制御を行う構成を模式的に示す図である。
【図４】図１に示す実施例の試料台の温度を制御する動作の流れを示すフローチャートである。
【図５】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が図４に示す動作を行う際の膨張弁の開度と冷媒の温度のタイムチャートである。
【図６】図１に示す実施例に係る膨張弁の開度を調節する動作のフローチャートを示した図である。
【図７】図１に示す実施例の変形例に係る膨張弁の開度と冷媒の温度の変化を示すタイムチャートである。
【図８】図１に示す実施例の別の変形例に係る冷媒温度調節部の構成を模式的に示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を以下図面を用いて説明する。
【００２０】
前述した特許文献１には、冷凍サイクルに連結された試料台内部の冷媒流路としてその内側と外側とに２つの流路を同心状に配置し、これらの各々に一つの冷凍サイクルを構成する圧縮機、凝縮器を通った冷媒を流して試料台の温度の分布を形成するものが開示されている。これは、各流路の手前（上流側）にそれぞれ流量弁を設け、その開度を調節することにより各流路の冷媒の圧力を独立に制御でき、その結果、各冷媒の温度を調節することにより試料台および試料の温度分布の制御が可能となるものである。しかしながら、各流路の出口の下流に冷媒の合流点があるため各系統の圧力差を大きくできず、その結果各流路での冷媒の温度差を大きくしにくくなる。そのため、試料の温度の面内差を大きくしたい場合に対応しにくいという課題があった。
【００２１】
またさらに、通常のプラズマにおいては、試料台に導入する冷媒をある目標温度に設定し、試料台および試料を所望の温度に調節し処理を行う。しかしながら、特許文献１には冷媒を目標温度に調節する具体的な方法が開示されていなかった。
【００２２】
またさらに、２つの冷媒の流路の入口には、冷凍サイクルの冷媒経路から分岐した配管がそれぞれ並列に接続されており、また流路の出口には２つの並設された配管が連結されこれらの配管上に弁を備えており、２つの配管はさらに下流側で合流して圧縮機に連結される構成となっている。この構成において、例えば内側の冷媒流路の冷媒の温度を保持するために内側の流路に連結された弁の開度を変えないまま、外側の冷媒温度を変えようとして外側の流路に連結された弁の開度を大きくした場合には、外側の流路への冷媒の流量が増え、内側の流路への冷媒の流量が減ってしまう。
【００２３】
その結果、内側の流路の弁の開度が不変にも関わらず、その内側の流路での冷媒の温度が下がってしまう。つまり、片方の流路の弁の開度の調整が、他方の流路の冷媒の温度に影響するという問題が生じてしまう。このような場合は、内側の流路での冷媒の温度を変えると外側の流路での冷媒の温度まで変わってしまい、逆に外周側の温度を補正しようとすると、内側の温度まで変わってしまうという、所謂ハンチングが起きてしまい、冷媒の温度ひいては試料台、試料の温度とその分布の調節が困難になってしまうという問題が生じていた。
【００２４】
さらに、例えば、片方の流路での弁の開度を極端に小さくすると、その流路の冷媒の流量が極端に小さくなり、液状態のものを含む冷媒が流路を流れている間に完全に気化してしまう、所謂ドライアウトが生じる危険性が増大することになる。流路内で冷媒のドライアウトが発生した場合には流路内での冷媒の温度が急激に上昇し、試料台の冷媒の流路の流れ方向についての試料台の温度の分布が著しく変化してしまい、その結果、半導体ウエハ等試料の周方向についての温度の分布が所期のものから損なわれるという問題が生じてしまう。
【００２５】
これらの課題の解決として、各流路にそれぞれ独立した冷凍サイクル等の冷媒温度調節手段を連結するという手段を採用すると、流路と同じ個数の冷媒温度調節手段が必要となり、半導体製造装置の大型化やコストアップとなるため、有効な解決方法とは言い難い。
【００２６】
本実施の形態は、以上の問題点を解決しようとするものであり、試料の温度分布の調節のために直接膨張方式の温調手段を適用したプラズマ処理装置において、試料台内の複数の冷媒流路を循環して通流する冷媒の温度の調節と試料台ひいては試料の温度とその分布の実現を効率的に可能にするものである。
【実施例１】
【００２７】
以下、本発明の実施例について図１乃至図６を用いて説明する。図１は本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【００２８】
本図において、プラズマ処理装置は、円筒形を有する真空容器１の上方にプラズマを形成するための電界及び磁界の形成手段を配置し、下方に真空容器１内部を排気する排気手段が連結されて配置されている。真空容器１の内部に配置された空間である処理室３は、内部が減圧される空間であって処理対象の半導体ウエハ等の基板状の試料５が配置されて処理が施される空間である。
【００２９】
真空容器１の上部には、処理室３の上方に位置して真空容器１及び処理室３の内外を気密に区画する蓋を構成する石英等の誘電体製の円板である蓋２が配置されている。処理室３の下部には円筒形状を有する試料台４が配置され、試料台４の上部に試料５の形状に合わせて円形に配置された載置面の上面に試料５が図示しない搬送用のロボットアームのアーム上に保持されて処理室３内に搬入出される。
【００３０】
処理室３の上部にはガス導入管６が連結されており、ガス導入管６内を通流する処理ガス７はガス導入管６と連結された少なくとも１つの（望ましくは複数の）導入口からエッチング処理を行うための処理室３に導入される。処理室３の下部であって試料台４の下方には排気口８が配置され、処理室３に導入された処理ガス７や、エッチングによって生じた反応生成物が排気口８を通り処理室３外に排気される。排気口８は圧力調節バルブ９を間に介してターボ分子ポンプ１２等の真空ポンプと連結され、圧力調節バルブ９の開度が調節されることにより、真空ポンプの排気の流量速度が調節されて導入される処理ガス７の流量速度とのバランスにより処理室３の圧力が所定の真空度の圧力（本実施例では４Ｐａ以下）に調節される。
【００３１】
処理室３の上方には、電界または磁界の発生装置が配置されている。本実施例では、電界はマグネトロン等のマイクロ波発振機１４により発信されたマイクロ波１０が用いられている。導波管１６の端部に配置されたマイクロ波発信機１４により生成されたマイクロ波１０は、導波管１６を水平方向に、さらに上下方向下方に向けて伝播して、処理室３の上部の蓋２を底面として構成する円筒形状を有する空間である共振部において所定のモードの電界が形成されて、蓋２を透過して上方から処理室３へと導入される。
【００３２】
さらに、蓋２の上方と真空容器１の処理室３を構成する円筒形部分の側壁の外周には、直流電力が拒仇されて磁界を形成するためのソレノイドコイル１８が配置されている。ソレノイドコイル１８よって生成された磁場は、処理室３内に導入され、処理室３内に導入されたマイクロ波１０と相互作用を生じ、処理ガス７の原子、分子をして処理室３内にプラズマ１１が形成される。
【００３３】
このプラズマ１１を用いて試料５の上面に予め形成された複数の膜層を含む膜構造に対してエッチング処理が行われる。本実施例での膜構造は、その上部に樹脂製のフォトレジスト等のマスク層とその下方に配置された処理対象となるゲート、メタル或いは絶縁膜の層を少なくとも一つ有するものである。
【００３４】
また、本実施例では、試料５の温度を処理に適した値の範囲内に調節するために、試料台４の内部に熱交換用の媒体である冷媒の流路が配置されている。この冷媒流路２０の内部には冷媒として代替フロンＲ４１０ａが通流して循環され、入口から試料台４内部の冷媒流路２０の内部において試料台４の部材と熱交換して蒸発した冷媒は冷媒流路２０の出口から試料台４の外部に流出した後、後述の通り、冷凍サイクルを通流して再度凝縮されて液化されて再度冷媒流路２０の入口から試料台４の内部に流入するように循環する。
【００３５】
図２を用いて、冷媒流路の構成をより具体的に説明する。図２は、図１に示す実施例の試料台の構成を模式的に示す断面図である。
【００３６】
この図に示されるように、冷媒流路２０は、横断面が円筒形または円板形を有する試料台４の内部において、その半径方向について略同心円状に多重の流路を有して配置され、冷媒の入口と出口とを有している。さらには、試料台４および試料５の中央側とその外周側に、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２とを有する複数の同心状の流路を備えている。
【００３７】
これらの２つの流路は各々冷媒の入口及び出口を有しており、異なる条件の冷媒が供給されて循環する。例えば、中央側冷媒流路２０−１内を循環する冷媒の蒸発する温度を、外周側冷媒流路２０−２を循環する冷媒の蒸発温度よりも高くした場合は、試料台４の表面および試料５の半径方向温度は中央側の部分が高くされた分布となり、温度の値をグラフにすると中心部が高く外周部において低くなる凸分布となる。逆に、中央側冷媒流路２０−１を循環する冷媒の蒸発温度を外周側冷媒流路２０−２を循環する冷媒の蒸発温度よりも低くした場合は、試料台４の表面および試料５の半径方向温度は凹分布となる。
【００３８】
試料台４の冷媒流路２０は、図１に示す通り、試料台４の外部に配置された圧縮機２２、膨張弁２４−１，２４−２，２４−３，２４−４等から構成される構成要素と冷媒が通流する冷媒管路により連結された冷凍サイクルの一部を構成している。この構成において、試料台４内の冷媒流路２０で熱交換して蒸発して潜熱を奪った冷媒は、試料台４の外部において凝縮し潜熱を放出して再度液化される。
【００３９】
中央側冷媒流路２０−１は、内部に中央側冷媒入口３０−１及び中央側冷媒出口３２−１を有し、中央側冷媒入口３０−１から膨張弁２４−１を経由して冷媒が内部に導入される。本実施例において、中央側冷媒入口３０−１に導入された冷媒は、円弧状に配置された冷媒流路の周方向について時計周り及び反時計周りの方向の二手に分かれて中央側冷媒流路２０−１を通流し、中央側冷媒入口３０−１が配置された中央側冷媒流路２０−１の外周側の流路に配置された外周側冷媒出口３２−１で合流して中央側冷媒流路２０−１から流出し、膨張弁２４−３を経由して圧縮機２２へ向けて通流する。
【００４０】
同様に、外周側冷媒流路２０−２には、冷媒は膨張弁２４−２を経由して外周側冷媒入口３０−２を通して外周側冷媒流路２０−２内に導入され、二手に分かれて外周側冷媒流路２０−２を流れ、外周側冷媒入口３０−２が配置された流路の中央側の周の外周側冷媒流路２０−２に配置された外周側冷媒出口３２−２で合流して流出し、膨張弁２４−４を介して圧縮機２２側に向けて通流する。
【００４１】
本実施例において、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２との各々から流出した冷媒は、中央側冷媒出口３２−１、外周側冷媒出口３２−２の各々に連結した冷媒の冷媒管路各々の上に配置された膨張弁２４−３，２４−４において、その流量または圧力が調節される。膨張弁２４−３，２４−４は内部に配置された冷媒の通路の断面積を可変に調節する弁を有し、この弁の開度が増減することにより冷媒の流量速度が変更される。また、本実施例においてこれらの膨張弁２４−３，２４−４は内部の通路において内部の圧力を急減させて冷媒を気化させる構成を備えて冷媒の圧力を調節するものであっても良い。
【００４２】
なお、本実施例においては、膨張弁２４−３，２４−４と連結された冷媒の管路はその冷媒の下流方向において圧縮機と連結されているので、弁の開度の増減による流量の調節によってもこれら膨張弁２４−３，２４−４を通過する冷媒の圧力を低減させて調節することが可能である。これらの膨張弁２４−３，２４−４を通過して圧力が調節された冷媒はその後、上記２つの冷媒管路が合流する合流部５２において合流し、潜熱を吸収した冷媒の温度を調節する冷媒温度調節部２１に導入される。冷媒温度調節部２１は試料台４の冷媒流路２０が含まれる冷凍サイクルを構成するものであって、冷媒を熱交換させて内部の潜熱を再度放出させ液化させる部分であり、蒸発器２６、圧縮機２２、凝縮器２３とを備え、この順に冷媒の冷媒管路により連結されて構成されている。
【００４３】
冷媒温度調節部２１に導入された冷媒は、まず蒸発器２６に導入される。蒸発器２６は、導入された前記冷媒が内部を通流する冷媒管路と熱交換可能な位置、構成で並列に配置されて当該冷媒と熱交換させるための熱交換媒体である水２５−１が内部を流れる流路を備えている。本実施例では、冷媒管路を流れる冷媒は膨張弁２４−３，２４−４と通過して圧力が低下しており、そのためその温度が下がった冷媒は蒸発器２６において熱交換媒体の流路内を流れて循環する水２５−１と熱交換し蒸発し、その乾き度がほぼ１になるまで気化される。
【００４４】
本実施例の冷媒流路２０を備えた試料台４は蒸発器として機能することも可能なので、蒸発器２６は第２の蒸発器でも有る。また、以下に説明する通り、膨張弁２４−１乃至２４−４の動作による各々の開度のバランスによって試料台４内部の冷媒流路２０内の冷媒の圧力または蒸発圧力が可変に調節されて試料台４は凝縮器（試料の加熱器）としても動作可能な構成にされている。
【００４５】
気化されガスとなった冷媒は圧縮機２２入口に導入され、内部で圧縮され圧力を上昇させる。圧縮機２２の出口から流出した高圧の冷媒は凝縮器２３に導入されて凝縮される。凝縮器２３には、蒸発器２６と同様に、内部を熱交換用の媒体である水２５−２が通流する流路が冷媒管路と熱交換可能に配置されており、凝縮器２３に導入された冷媒は熱交換媒体の流路を流れる水２５−２と熱交換して冷却され、その乾き度がほぼ０になるまで凝縮される。本実施例では、熱交換用の媒体として水２５−１，２５−２を用いているが、他の流体を用いても良い。
【００４６】
凝縮器２３から流出した冷媒は、冷媒管路を試料台４に向けて通流し、冷媒管路上に配置された分岐部５０で２つの経路に分けられて通流する。２つの経路のうち、一方は膨張弁２４−１が配置されて試料台４の中央側冷媒流路２０−１に連結された経路に、他方は、膨張弁２４−２が配置されて外周側冷媒流路２０−２に連結された経路に導入される。これらの膨張弁２４−１，２４−２は膨張弁２４−３，２４−４と各々同じ構成を有しているものであり、内部を通過する冷媒の通路の断面積を可変に増減して冷媒の流量速度を調節する構成を備えている。また、同様に、通路内の圧力を急減させて冷媒の気化を行う構成を備えていても良い。なお、膨張弁２４−１，２４−２も冷媒の管路、及び試料台４の冷媒流路２０を介して冷凍サイクルの下流側に圧縮機２２が連結されているため、膨張弁２４−１，２４−２により冷媒の流量速度が調節されることのみによってもその下流側の冷媒の圧力が調節可能な構成となっている。
【００４７】
さらにその後、これらの経路を流れる冷媒は、各々内周側冷媒流路２０−１、外周側冷媒流路２０−２に再度導入されて、試料台４の各々の冷媒の流路を構成する部材と熱交換して沸騰・気化して通流して試料台４から流出し、再度膨張弁２４−３，２４−４を介して圧縮機２２に向かって流れて循環する。本実施例では、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度は、図示しない制御部により調整されることにより、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２とに導入する冷媒の蒸発温度等の条件が所望の値の範囲となるように調節される。
【００４８】
例えば、中央側冷媒流路２０−１に導入される冷媒は、中央側冷媒流路２０−１の入口に連結されて配置された膨張弁２４−１の開度を小さくしたり、出口に連結されて配置された膨張弁２４−３の開度を大きくしたりすると、これらに挟まれた冷媒の流路である中央側冷媒流路２０−１内部を通流する冷媒の圧力が下がり、その結果、その内部での冷媒が蒸発する温度（蒸発温度）が下がる。逆に、膨張弁２４−１の開度を大きくしたり、膨張弁２４−３の開度を小さくしたりすると、中央側冷媒流路２０−１を循環する冷媒の圧力が上がり、冷媒の蒸発圧力が上がることになる。
【００４９】
また同様に、外周側冷媒流路２０−２に導入する冷媒に関しては、膨張弁２４−２の開度を小さくしたり、膨張弁２４−４の開度を大きくしたりすると、冷媒の圧力が下がり、その結果、外周側冷媒流路２０−２を循環する冷媒温度が下がる。逆に膨張弁２４−２の開度を大きくしたり膨張弁２４−４の開度を小さくしたりすると、冷媒の圧力が上がり、その結果、外周側冷媒流路２０−２を循環する冷媒温度が上がる。このような膨張弁２４−１乃至２４−４各々に開度の増減による内周側冷媒流路２０−１、外周側冷媒流路２０−２を通流する冷媒の温度、蒸発温度が可変に調節され、これらの流路を蒸発器（試料の冷却器）または凝縮器（試料の加熱器）の何れかの動作が切り替えて行われる。
【００５０】
これらの場合において、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２に導入される冷媒の温度は、これら入口に連結された冷媒管路上に配置された膨張弁２４−１及び膨張弁２４−２の下流側の冷媒管路上であってこれらと中央側冷媒入口３０−１、外周側冷媒入口３０−２との間に配置された温度計４０−１、温度計４０−２によって各々検知される。以下、温度計４０−１と温度計４０−２によって検知された冷媒の温度をそれぞれＴ１，Ｔ２と称する。
【００５１】
本実施例は、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度を可変に調節することによって、１つの直接膨張式ヒートサイクルから成る冷媒温度調節部２１から分岐して供給された中央側冷媒流路２０−１及び外周側冷媒流路２０−２の複数の冷媒の流路での冷媒の温度または蒸発温度を適切な範囲にする。なお、１つの直接膨張式ヒートサイクルとは、本明細書においては１つの圧縮機を有する直接膨張式ヒートサイクルという意味を示すものとする。
【００５２】
図３を用いて、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度制御のための構成を説明する。図３は、図１に示す実施例の試料台の温度の制御を行う構成を模式的に示す図である。なお、この図では信号の流れを破線で示すものとする。
【００５３】
温度計４０−１および温度計４０−２によって検知された結果を示すそれぞれ信号は、有線または無線の何れかの通信手段を介して分析部３５へと送信される。分析部３５では受信した信号に基づいて、各々の冷媒温度Ｔ１，Ｔ２を検出し、試料５の処理に適した温度の値とその半径方向の分布に応じて必要な冷媒の温度または蒸発温度を検出し、この温度と信号から検出した実際の冷媒温度Ｔ１，Ｔ２とに応じて、適切な膨張弁２４−１乃至２４−４の開度を算出する。算出された結果の信号は通信手段を介して制御部３７に送信され、制御部３７は膨張弁２４−１〜４にそれぞれ算出された開度にするための指令信号が膨張弁２４−１乃至２４−４またはこれらの駆動装置に送信されて、膨張弁の開度が調節される。
【００５４】
本実施例において、分析部３５、制御部３７は異なる部材として示されているが、一つの集積回路に含まれたものでも良く、１つの基板上に配置された複数の回路が有線、無線の通信回路を通して通信可能に構成されていても良い。また、分析部３５はその内部に記憶器、演算器、通信インターフェースを含んで構成された回路であって、マイクロプロセッサやマイコン等で構成された演算器が記憶器としてＤＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリやハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ等の外部記憶装置に予めソフトウェアとして記録されたアルゴリズムを読み出してこれに基づいて、通信インターフェースを介して受信した信号を用いて温度や開度、或いは指令信号を算出する。これらの演算器、記憶器、通信インターフェースは、分析部３５、制御部３７の機能を兼ねたものであっても良い。
【００５５】
次に、本実施例において膨張弁２４−１乃至２４−４の開度制御により、中央側冷媒流路２０−１および外周側冷媒流路２０−２の冷媒温度を調節する構成についてより具体的に説明する。
【００５６】
本実施例においては、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２とにそれぞれ導入する冷媒の温度の制御を、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度を調節することにより行う。すなわち、膨張弁２４−１及び中央側冷媒流路２０−１及び膨張弁２４−３とこれらを連結する冷媒の管路を構成として有する冷媒の経路におけるコンダクタンスと、膨張弁２４−２及び外周側冷媒流路２０−２及び膨張弁２４−４とこれらを連結する冷媒の管路とを構成として有する冷媒の経路におけるコンダクタンスが等しくなるように、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度を調節する。
【００５７】
例えば、中央側冷媒流路２０−１に導入する冷媒に関しては、膨張弁２４−１の開度が小さくされると共に、膨張弁２４−３の開度が大きく調節される。このような動作により、膨張弁２４−１と膨張弁２４−３との間の冷媒の経路における冷媒の圧力が下がり、その結果、中央側冷媒流路２０−１を通流する冷媒の温度または蒸発温度が低下する。逆に、膨張弁２４−１の開度が大きくされると共に、膨張弁２４−３の開度が小さく調節される。この動作により、中央側冷媒流路２０−１を通流する冷媒の圧力が上がり、この冷媒の温度または蒸発温度が上昇する。
【００５８】
また同様に、外周側冷媒流路２０−２を通流する冷媒に関しては、膨張弁２４−２の開度が小さくされると共に、膨張弁２４−４の開度が大きくされる。これにより、冷媒の圧力が下がり、その結果、外周側冷媒流路２０−２を通流する冷媒の温度または蒸発温度が下がる。逆に、膨張弁２４−２の開度が大きくされると共に、膨張弁２４−４の開度が小さくされる。これにより、冷媒の圧力が上がり、その結果、外周側冷媒流路２０−２を通流する冷媒の温度または蒸発温度が上がる。
【００５９】
このような膨張弁２４−１及び２４−３、膨張弁２４−２及び２４−４の動作を行うに際して、上記のように試料台４内の冷媒流路２０を含むこれらの間の冷媒の経路におけるコンダクタンス同士が等しくなるように、各膨張弁の開度が分析部３５または制御部３７からの指令により調節される。すなわち、本実施例では膨張弁２４−１乃至２４−４のコンダクタンスをそれぞれＣ１〜Ｃ４とした場合、次に示す数式１を満たすようにこれらの膨張弁の開度が調節される。
【００６０】
【数１】
2014011214.tif 000003
【００６１】
これにより、膨張弁２４−１と中央側冷媒流路２０−１を介した膨張弁２４−３との間の冷媒の経路における冷媒のコンダクタンスと、膨張弁２４−２と外周側冷媒流路２０−２を介した膨張弁２４−４との間の冷媒の経路におけるコンダクタンスとが等しいか実質的に等しいと見倣せる程度に近似した値にされ、また異なる処理の条件に対しても同等に維持されることにより、これらの経路をそれぞれ流れる冷媒の流量が実質的に同等にされる。そのため、片方の経路の冷媒の温度を調節するために膨張弁の開度を変えた場合でも、他方の経路の冷媒流量に影響を与えることなく一定に保てるため、膨張弁の開度を変えない場合に冷媒の温度を一定に保つことができる。
【００６２】
なお、正確には、膨張弁２４−１と膨張弁２４−３との間の経路、および膨張弁２４−２と膨張弁２４−４との間の経路とには、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２とのコンダクタンスがそれぞれ含まれるが、流路のコンダクタンスは、膨張弁２４−１乃至２４−４のコンダクタンスに比べて大きいため、数式１を満たすような膨張弁２４−１乃至２４−４の開度調節で不具合が生じないことを発明者らは確認した。
【００６３】
また本実施例では、これらの膨張弁２４−１乃至２４−４は構成を同じくするもので何れか一つは他のものと置換して同じ性能を発揮することが可能に構成されている。より具体的には、これらの膨張弁２４−１乃至２４−４は同じユニット、部品が適用されたもので、何れか一つの動作を他の何れが行っても冷媒の流量または圧力について同じ結果が得られるものである。このような膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節においては、それぞれの膨張弁内を流れる冷媒のコンダクタンスが、当該膨張弁の開度に比例する範囲の開度を用いた。その場合は、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度をそれぞれＶ１〜Ｖ４とすると、数式２を満たすようにそれぞれの膨張弁２４−１乃至２４−４の開度が調節されることになる。
【００６４】
【数２】
2014011214.tif 000004
【００６５】
以上示した構成を、３つの異なる冷媒温度条件を用いる、すなわち３つのステップから成るプラズマエッチング処理に適用した場合の、膨張弁２４−１〜４の開度調節のフローチャートを図４に、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度と冷媒の温度の推移を示すタイムチャートを図５に示す。図４は、図１に示す実施例の試料台の温度を調節する動作の流れを示すフローチャートである。図５は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が図４に示す動作を行う際の膨張弁の開度と温調流体温度のタイムチャートを示した図である。
【００６６】
なお、図５（ａ）は冷媒温度Ｔ１とＴ２に関するタイムチャート、図５（ｂ）は膨張弁２４−１の開度Ｖ１と膨張弁２４−３の開度Ｖ３に関するタイムチャート、図５（ｃ）は膨張弁２４−２の開度Ｖ２と膨張弁２４−４の開度Ｖ４に関するタイムチャートである。以下、これらの図を用いて膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節の動作について説明する。
【００６７】
まず、プラズマエッチング処理のステップ１（Ｓ１）において、Ｔ１とＴ２の設定温度が２０℃の場合、冷媒の温度と圧縮機２２の回転数（例えば３０００rpm）から、制御部３７の内部のデータベースをもとに、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度がそれぞれ５０％に設定される。
【００６８】
次にステップ１（Ｓ１）から、Ｔ１およびＴ２の設定値がそれぞれ２５℃、２０℃であるステップ２（Ｓ２）に移行する場合は、図５に示すように、ステップ１とステップ２との間の移行ステップ１２（Ｓ１２）において、Ｔ２を変化させずにＴ１を２０℃から２５℃に変化させる必要がある。その場合はＶ１を大きくしながらＶ３を小さくするが、Ｖ１の変化に応じて数式２を満たすようにＶ３を調節する。このとき、温度計４０−１および温度計４０−２によって計測された冷媒の温度Ｔ１とＴ２は常時計測されており、Ｔ１が設定値に達したと見なされるまでＶ１とＶ３の調節は行われる。また、この移行ステップ１２（Ｓ１２）ではＴ２を変える必要が無いため、Ｖ２とＶ４は５０％に保持する。
【００６９】
移行ステップ１２（Ｓ１２）においてＴ１が設定値（この場合は２５℃）に達したと見なされた場合は、移行ステップＳ１２が完了したと見なし、ステップ２（Ｓ２）を開始する。
【００７０】
次にステップ２（Ｓ２）の終了後に、Ｔ１およびＴ２の設定値がそれぞれ３０℃、１５℃であるステップ３（Ｓ３）に移行する場合は、それらのステップの間にある移行ステップ２３（Ｓ２３）の前半において、まずＴ１を変化させずにＴ２を２０℃から１５℃に変化させる。その場合はＶ２を小さくしながらＶ４を大きくするが、Ｖ２の変化に応じて数式２を満たすようにＶ４を調節する。このＶ２とＶ４の調節は、Ｔ２が設定値に達したと見なされるまで行われる。また、この間はＴ１を一定にするためにＶ１とＶ３は保持する。
【００７１】
この移行ステップ２３（Ｓ２３）の前半においてＴ２が設定値（この場合は１５℃）に達したと見なされた場合は、次に移行ステップ２３（Ｓ２３）の後半において、Ｔ２を変化させずにＴ１を設定値（この場合は３０℃）に変えるための調節を行う。その場合はＶ１を大きくしながらＶ３を小さくするが、Ｖ１の開度変化に応じて数式２を満たすようにＶ３を調節する。このＶ１とＶ３の調節は、Ｔ１が設定値に達したと見なされるまで行われる。また、この間はＴ２を一定にするため、Ｖ２とＶ４は保持する。
【００７２】
この移行ステップ２３（Ｓ２３）の後半においてＴ１が設定値に達したと見なされた場合は、移行ステップ２３（Ｓ２３）が完了したと見なし、ステップ３（Ｓ３）を開始し、このステップが終わった場合にはエッチング処理が終了する。
【００７３】
なお、以上説明した膨張弁２４−１乃至２４−４の開度は、冷媒の温度の設定値と、Ｔ１もしくはＴ２とを比較しながら数式２を満たすように調節したがそれに限るものではない。例えば、制御部３７の内部に予めデータベースを格納しておき、冷媒の設定温度からＶ１〜Ｖ４の初期設定値を推算し、それらの推算値にＶ１〜Ｖ４をまず調節し、その後にＴ１とＴ２とが設定値になるようにＶ１〜Ｖ４を微調整しても良い。
【００７４】
このような調節の動作を、前述した移行ステップ１２（Ｓ１２）に適用した場合のフローチャートの抜粋を図６に示す。図６は、図１に示す実施例に係る膨張弁の開度を調節する動作のフローチャートを示した図である。
【００７５】
ステップ１（Ｓ１）から、Ｔ１およびＴ２をそれぞれ２５℃、２０℃のステップ２（Ｓ２）に移行する場合は、まず制御部３７の内部に蓄えられたデータベースをもとにＶ１〜Ｖ４の開度の初期設定値を推算し、それらの値に調節する。なお、それら初期設定値は数式２を満たすものとする（Ｓ１２−１）。
【００７６】
次にＴ１およびＴ２がステップ２（Ｓ２）の設定値になっているか否かを判定する。今回の場合はＴ２は不変のためＴ１のみに関して判定する。もしＴ１が設定値（今回は２５℃）よりも高い場合は、Ｔ１を下げるためにＶ１を小さくすると共に数式２を満たすようにＶ３を大きくする。もしＴ１が設定値よりも低い場合は、Ｔ１を上げるためにＶ１を大きくすると共に数式２を満たすようにＶ３を小さくする。これらのとき、Ｔ２は不変のためＶ２とＶ４は保持する。このような調節を行い、Ｔ１が設定値に達したと見なされた場合は、移行ステップＳ１２が完了したと見なし、ステップ２（Ｓ２）を開始する。
【００７７】
このような調節を行うことにより、まずＶ１〜Ｖ４を初期設定値に調節し、その後にＶ１〜Ｖ４を微調整してＴ１およびＴ２を設定値に調節できる。また、ステップ２（Ｓ２）が完了し、ステップ３（Ｓ３）に移行する場合も、それらの間の移行ステップ２３（Ｓ２３）においてＶ１〜Ｖ４の調節を同様に行うことによって、Ｔ１およびＴ２を設定値に調節できる。
【００７８】
以上説明したような膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節を行うことにより、１つの直接膨張式ヒートサイクルから成る冷媒温度調節部２１によって試料台４に導入する複数系統の冷媒の温度を調節する構成において、片方の系統の冷媒温度を変える場合でも、他方の系統の冷媒温度への影響を小さくできる。このことにより、各冷媒流路の冷媒の温度の調節のハンチングの生起を抑制し、冷媒の温度または蒸発温度を効率的に調節できる。また、このような調節を行う場合においても、両系統の冷媒流量を等しくしながら冷媒の温度を調節するため、冷媒流量が極端に減ることで生じやすくなるドライアウトの危険性が低くなる。これにより試料台４および試料５の温度分布が周方向になることが低減される。
【００７９】
〔変形例１〕
本発明の第１実施例では、複数の系統の冷媒の温度を調節する場合に、片方の系統の冷媒温度を一定に保ちながら他方の系統の冷媒温度を変化させていた。しかしながら、半導体製造装置のスループット向上のためには冷媒温度の素早い調節が求められるため、実施例で示した調節方法よりも速い温調が必要な場合がある。またさらに、複数の系統の冷媒温度の差を素早く拡げたり、素早く縮めたりする調節が必要な場合がある。このような課題を解決するための変形例を以下に説明する。
【００８０】
変形例においても、プラズマ処理装置における冷媒の温度の調節のための構成は、実施例で示したものと同等であるとする。そして、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節を行う場合に、次に示す数式３を満たすようにそれぞれの膨張弁２４−１乃至２４−４の開度Ｖ１〜Ｖ４を調節する。なお、本変形例においても、膨張弁２４−１乃至２４−４は実施例と同じ構成を備えているものである。
【００８１】
【数３】
2014011214.tif 000005
【００８２】
この数式３が満たされる場合は、数式１と数式２も満たされる。そのため、中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２とに導入される冷媒の流量は等しくなり、またこれが異なる条件の処理においても等しく維持される。その点は実施例と同じであるが、数式３を満たすように膨張弁２４−１乃至２４−４の開度を調節した場合は、片方の経路の冷媒の温度が上がるときには他方の冷媒の温度が下がる、つまり両方の経路の冷媒の温度が同時に逆方向に変わることになる。
【００８３】
以上示した調節の動作を、３つの異なる冷媒温度条件を用いる、すなわち３つのステップから成るプラズマエッチング処理に適用した場合の膨張弁２４−１乃至２４−４の開度と冷媒の温度の推移を示すフローチャートを、図７に示す。図７は、図１に示す実施例の変形例に係る膨張弁の開度と冷媒の温度の変化を示すタイムチャートである。
【００８４】
この図において、まず、プラズマエッチング処理のステップ１（Ｓ１）において、Ｔ１とＴ２の設定温度が両方とも２０℃の場合、冷媒の温度と圧縮機２２の回転数から、制御部３７の内部のデータベースをもとに、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度がそれぞれ５０％に設定される。
【００８５】
次にステップ１（Ｓ１）から、Ｔ１およびＴ２をそれぞれ２５℃、１５℃のステップ２（Ｓ２）に移行する場合は、それらのステップの間にある移行ステップ１２（Ｓ１２）において、Ｔ１を上げるためにＶ１を大きくしながらＶ３を小さくするが、Ｖ１およびＶ３の変化と同様に、Ｔ２を下げるために数式３を満たすようにＶ４を大きくし、Ｖ２を小さくする。これによりＴ１が上がると共にＴ２が下がり、ステップ２（Ｓ２）の設定温度にそれぞれ調節される。
【００８６】
移行ステップ１２（Ｓ１２）においてＴ１およびＴ２が目標温度（この場合はそれぞれ２５℃、１５℃）に達したと見なされた場合は、移行ステップ１２（Ｓ１２）が完了したと見なし、ステップ２（Ｓ２）を開始する。
【００８７】
次にステップ２（Ｓ２）が完了し、Ｔ１およびＴ２の設定値が両方とも２０℃であるステップ３（Ｓ３）に移行する場合は、それらのステップの間にある移行ステップ２３（Ｓ２３）において、Ｖ１を小さくしながらＶ３を大きくするが、Ｖ１およびＶ３の変化と同様に、数式３を満たすようにＶ４を小さくし、Ｖ２を大きくする。これによりＴ１が下がると共にＴ２が上がり、ステップ３（Ｓ３）の設定温度にそれぞれ調節される。移行ステップ２３（Ｓ２３）においてＴ１およびＴ２が目標温度（この場合はそれぞれ２０℃）に達したと見なされた場合は、移行ステップ２３（Ｓ２３）が完了したと見なし、ステップ３（Ｓ３）を開始し、このステップが終わった場合にはエッチング処理が完了する。
【００８８】
以上説明したような膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節を行うことにより、１つの直接膨張式ヒートサイクルから成る冷媒温度調節部２１によって試料台４に導入する複数系統の冷媒の温度を調節する構成において、複数の経路における冷媒温の度の差の拡大や縮小をより短時間に行うことが可能となる。また、片方の経路における冷媒の温度を変える場合でも、他方の経路の冷媒の温度への影響を小さくできる。このことにより、各冷媒流路の冷媒の温度の調節のハンチングの生起を抑制し、冷媒の温度または蒸発温度を効率的に調節できる。また、このような調節を行う場合においても、両系統の冷媒流量を等しくしながら冷媒の温度を調節するため、冷媒流量が極端に減ることで生じやすくなるドライアウトの危険性が低くなる。これにより試料台４および試料５の温度分布が周方向になることが低減される。
【００８９】
〔変形例２〕
上記の実施例および変形例は、試料台４の内部の中央側冷媒流路２０−１と外周側冷媒流路２０−２とにそれぞれ導入する冷媒の温度の調節を、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節のみによって行うものである。しかしながら、このような場合は調節できる温度範囲が狭い場合がある。例えば、膨張弁２４−１乃至２４−４の開度調節のみで実現できる温度よりも低い冷媒温度が必要な場合に対応できないという課題がある。
【００９０】
また、変形例で示した膨張弁２４−１乃至２４−４の調節では、複数経路の冷媒の温度から素早く冷媒温度の差を拡げたり縮めたりすることはできるが、実現できない温度条件も存在する。例えばステップ１（Ｓ１）の両系統のＴ１およびＴ２が２０℃の状態から、Ｔ１およびＴ２をそれぞれ２５℃と１５℃とに調節することは変形例で示したように可能だが、それぞれ２５℃と１０℃とに調節することは、この変形例で示した方法のみでは難しい。
【００９１】
本発明の第３の実施例はこれらの課題に対応するものである。以下、図８を用いて、本発明の第３の実施例の装置構成について説明する。図８は、図１に示す実施例の別の変形例に係る冷媒温度調節部の構成を模式的に示した縦断面図である。この装置は、図１に示した構成の凝縮器２３と分岐部５０との間に、メインライン４４とバイパスライン４６と温度計４０−３とを追加したものである。なお、本変形例においても、膨張弁２４−１乃至２４−４は実施例と同じ構成を備えているものである。
【００９２】
凝縮器２３で凝縮された冷媒は、メインライン４４もしくはバイパスライン４６に導入される。メインライン４４とバイパスライン４６とには、弁４８−１と弁４８−２とがそれぞれ接続されており、その開閉または開度の増減によりこれらの内部を流れる冷媒の流量を調節する。
【００９３】
弁４８−１の開度が大きく、且つ弁４８−２の開度が小さいときは、冷媒の大部分はメインライン４４を経由する。一方、弁４８−１の開度が小さく、且つ弁４８−２の開度が大きいときには、冷媒の大部分はバイパスライン４６を経由する。この場合、冷媒は弁４８−２の下流に設けられたキャピラリ４２を経由する。キャピラリ４２はコンダクタンスが低い細管で形成されており、ここを経由する場合には冷媒の圧力が下げられる。つまり、冷媒の大部分がバイパスライン４６を経由する場合には、冷媒の大部分がメインライン４４を経由する場合に比べて、冷媒の圧力が低くなり、その結果、冷媒の温度は低くなる。
【００９４】
メインライン４４およびバイパスライン４６を経由した冷媒の温度は温度計４０−３によって計測される。この温度計４０−３で測定される温度（Ｔ３とする）は、その後、膨張弁２４−１乃至２４−４の調節によって最終的に決められる冷媒の温度Ｔ１およびＴ２の、言わばベース温度となる。分析部３５および制御部３７により弁４８−１と弁４８−２の開度は分析部３５および制御部３７により調節される。その結果、メインライン４４とバイパスライン４６とにそれぞれ流れる冷媒流量が調節され、最終的にＴ３が調節される。
【００９５】
以上、図８に示した構成において、第１実施例で説明した膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節を適用した場合には、１つのヒートサイクルから成る冷媒温度調節部２１によって試料台４に導入する複数系統の冷媒の温度を調節する構成において、片方の系統の冷媒温度を変える場合でも、他方の系統の冷媒温度への影響を無くすことができると共に、温度計４０−３の調節により冷媒温度範囲を広げることができる。例えば、Ｔ１とＴ２の設定値を低くしたい場合には、弁４８−１の開度を小さくし、弁４８−２の開度を大きくすれば良い。このような調節は分析部３５および制御部３７により弁４８−１および弁４８−２を調節することでＴ３を調節し、その後、膨張弁２４−１乃至２４−４によりＴ１とＴ２とが最終的に調節される。
【００９６】
また、図８に示した構成において、第２実施例で説明した膨張弁２４−１乃至２４−４の開度の調節を適用し、Ｔ１とＴ２の設定温度をそれぞれ２５℃と１０℃とにしたい場合には、弁４８−１の開度を小さくし、弁４８−２の開度を大きくすることによってＴ３を低くし、且つ図７に示した条件に比べてＶ１とＶ４を大きく、Ｖ２とＶ３を小さくすることによって、Ｔ１とＴ２との温度差を広げることによって実現できる。
【００９７】
以上示したように、第１実施例もしくは第２実施例に示した冷媒温度の調節方法を適用した場合でも、温度範囲をより低温側に広げることができる。
【００９８】
以上説明した第１〜第３実施例を適用することにより、プラズマ処理装置に１つの直接膨張式のヒートサイクルから成る温度調節部を適用し複数の経路における各々の冷媒の温度を調節する場合に、冷媒の温度の調節のハンチングやドライアウトの生起を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１  真空容器
２  蓋
３  処理室
４  試料台
５  試料
６  ガス導入管
７  処理ガス
８  排気口
９  圧力調節バルブ
１０  マイクロ波
１１  プラズマ
１２  ターボ分子ポンプ
１４  マイクロ波発振機
１６  導波管
１８  ソレノイドコイル
２０−１  中央側冷媒流路
２０−２  外周側冷媒流路
２１  冷媒温度調節部
２２  圧縮機
２３  凝縮器
２４−１，２４−２，２４−３，２４−４  膨張弁
２５−１，２５−２  水
２６  蒸発器
３０−１  中央側冷媒入口
３０−２  外周側冷媒入口
３２−１  中央側冷媒出口
３２−２  外周側冷媒出口
３５  分析部
３７  制御部
４０−１，４０−２，４０−３  温度計
４２  キャピラリ
４４  メインライン
４６  バイパスライン
４８−１，４８−２  弁
５０  分岐部
５２  合流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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