(57)【要約】【課題】高い温度応答性と広い温度の設定可能な範囲を実現でき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。【解決手段】真空容器内の処理室に配置され試料が配置される試料台と、この試料台の内部に配置されその内側を冷媒が通流して蒸発器として機能する冷媒流路と圧縮機と凝縮器とがこの順で連結されて構成され当該順に冷媒が通流する冷凍サイクルと、この冷凍サイクル上の前記凝縮器と前記冷媒流路との間並びに前記冷媒流路と前記圧縮機との間に配置された第一、第二の膨張弁と、前記冷凍サイクル上のこの第二の膨張弁と前記圧縮機との間に配置され前記冷媒を加熱して気化する気化器とを備え、前記第一及び第二の膨張弁の開閉の調節と前記凝縮器と前記第二の膨張弁との間の冷媒の温度に基づいた前記凝縮器または前記気化器における冷媒の熱交換量の調節とを行う。【選択図】図１
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【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、この処理室内に配置されその上面に前記プラズマを用いた処理の対象である試料が配置される試料台と、この試料台の内部に配置されその内側を冷媒が通流して蒸発器として機能する冷媒流路と圧縮機と凝縮器とがこの順で連結されて構成され当該順に冷媒が通流する冷凍サイクルと、この冷凍サイクル上の前記凝縮器と前記冷媒流路との間並びに前記冷媒流路と前記圧縮機との間に配置された第一、第二の膨張弁と、前記冷凍サイクル上のこの第二の膨張弁と前記圧縮機との間に配置され前記冷媒を加熱して気化する気化器とを備え、前記第一及び第二の膨張弁の開閉の調節と前記凝縮器と前記第二の膨張弁との間の冷媒の温度に基づいた前記凝縮器または前記気化器における冷媒の熱交換量の調節とを行う制御器とを備えたプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記制御器は、前記第一及び第二の膨張弁の開度を一方を増大させるとともにこれと並行して他方を低減させ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であって、
前記処理が各々異なる温度の条件で行われる複数のステップを有し、これら複数のステップの処理の開始前に前記凝縮器または前記気化器における冷媒の熱交換量を前記凝縮器と前記第二の膨張弁との間の冷媒の温度に基づいて調節するプラズマ処理装置。
【請求項４】
真空容器内の処理室内に配置された試料台の上面に処理の対象である試料を配置し、前記処理室内に処理用のガスを供給して当該ガスを用いてプラズマを形成し、当該プラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
前記試料台の内部に配置されその内側を冷媒が通流して蒸発器として機能する冷媒流路が当該冷媒流路と圧縮機と凝縮器とがこの順で連結されて構成され当該順に冷媒が通流する冷凍サイクルを構成し、この冷凍サイクルが前記凝縮器と前記冷媒流路との間並びに前記冷媒流路と前記圧縮機との間に配置された第一、第二の膨張弁と、前記冷凍サイクル上のこの第二の膨張弁と前記圧縮機との間に配置され前記冷媒を加熱して気化する気化器とを備え、
前記第一及び第二の膨張弁の開閉の調節及び前記凝縮器と前記第二の膨張弁との間の冷媒の温度に基づいた前記凝縮器または前記気化器における冷媒の熱交換量の調節を行って前記試料台の温度を所望の値に調節して前記試料を処理するプラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、
前記第一及び第二の膨張弁の開度を一方を増大させるとともにこれと並行して他方を低減させて前記試料台の温度を調節するプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載のプラズマ処理方法であって、
前記処理が各々異なる温度の条件で行われる複数のステップを有し、これら複数のステップの処理の開始前に前記凝縮器または前記気化器における冷媒の熱交換量を前記凝縮器と前記第二の膨張弁との間の冷媒の温度に基づいて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に係り、特に、半導体ウエハを保持固定する試料台の温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化トレンドに伴い、試料のエッチング処理に求められる加工精度は年々厳しくなっている。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、エッチング時のウエハ表面の温度管理が重要となる。近年では更なる形状精度向上の要求から、プロセス中にウエハの温度をエッチングステップに応じて高速かつ面内均一に制御する温度制御技術が求められている。
【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試料台の表面温度を制御すればよい。従来の試料台では内部に冷媒流路を形成し、流路内に液体冷媒を流すことにより試料台表面の温度を制御していた。
【０００４】
この液体冷媒は冷媒供給装置内の冷却装置または加熱装置により目標温度に調節された後、試料台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。
【０００５】
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、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。
【０００６】
このため、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試料台に設置し、試料台の冷媒流路内にて冷媒を蒸発させて冷却を行う、所謂、冷媒を流路内で膨張させる直接膨張式（以下、直膨式）の冷却装置が、従来より提案されている。直膨式の技術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という利点がある。
【０００７】
例えば、特許文献１には、試料台を冷凍サイクルの蒸発器として作用させ、圧縮機、凝縮器、膨張弁とを備えて直膨式システムを構成する技術が開示されている。本従来技術には試料台から排出される冷媒の乾き度を制御することで、冷媒流路内における冷媒のドライアウト（液膜の消失）を防ぎ、試料台を面内均一に温度調節する方法も開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、直膨式の冷却装置を用いた空気調和装置であって、制御対象の温度を検知し凝縮器の熱交換量を制御することで所望の温度を得る技術が開示されている。すなわち、本従来技術は、室温測定値と室温設定値を比較し、室温測定値が室温設定値より高い場合は室外ファンの回転数を上昇させて室外熱交換器での熱交換量を多くし、室温を設定温度に保つ方法を開示している。
【０００９】
前述の通り、直膨式の冷却装置、冷凍装置における冷却原理は冷媒が液体から気体に蒸発する際の潜熱を利用したものであり、サイクル内の膨張弁開度を調節することで冷媒の圧力を調節し、蒸発温度を調節することが可能である。また、冷却対象物から熱を吸収した冷媒はエンタルピ（冷媒１kgあたりの熱量）が上昇し、圧縮器の断熱圧縮を経て凝縮器にて排熱される。
【００１０】
この際、凝縮器の排熱量によって試料台位置における冷媒温度が変化する。つまり、凝縮器における排熱能力を適宜制御することも試料台の温度制御の上では重要となる。一方、特許文献２では、直膨式の冷却装置において蒸発器内の冷媒温度制御は膨張弁開度だけではなく、凝縮器の熱交換量によっても制御可能であることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２７２５３５号公報
【特許文献２】特開平３−３１６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年のプラズマ処理装置用の温度制御機構では、プロセス中に各エッチングステップに応じてウエハの温度を最適な値により高精度に調節することが要求されているとともに、温度の応答性の高速化と温度値の設定可能な範囲の拡大が求められている。これに対し、上記従来技術では以下の点について、考慮が不十分であったため問題が生じていた。
【００１３】
すなわち、特許文献１開示の技術は、膨張弁の開度制御を行うことで高い温度応答性を実現できる。しかし、本従来技術では凝縮器における熱交換量は一定のため、温度を設定できる範囲が相対的に狭いものとなっていた。
【００１４】
また、凝縮器の熱交換量を制御しない場合には、次のような問題が生じてしまう点について考慮されていなかった。すなわち、凝縮器における排熱量は凝縮器に流入する熱交換媒体の流量や温度によって変化するものである。一方、上記の従来技術が適用される装置が設置される対象の典型的な例としての半導体デバイスの製造工場の場合、熱交換媒体としては当該工場が提供する水を使用することが一般的である。
【００１５】
このような半導体デバイスの製造工場においては、その場所や周囲の環境、或いは使用者によって水の温度は異なるものとなるため、上記装置が発揮する温度の制御の性能がこの装置を提供する設計者が想定した所期のものと異なり損なわれてしまうという問題があった。例えば、膨張弁の開度を一定としていても、凝縮器における排熱量を低下させた場合には冷媒のエンタルピが上昇し、冷媒の蒸発温度が上昇してしまい、膨張弁による可変温度範囲は変化してしまう。
【００１６】
このような条件では、当初要求された仕様を満たすものとして設計された装置が設置された箇所で仕様を満たすに必要な温度範囲を実現できなくなるという問題について、上記従来技術では考慮されていなかった。
【００１７】
また、特許文献２に開示された凝縮器における熱交換量の制御の技術を用いて、膨張弁による圧力制御と凝縮器による熱交換量の制御とを用いて、温度の設定範囲を広くできる。しかし、凝縮器における熱交換量の制御は、熱交換媒体の流量や温度の制御に時間を要し、また凝縮器自体の熱容量も妨げとなるため、高速に制御することは難しい。
【００１８】
つまり、試料台の温度を膨張弁開度と凝縮器熱交換量の両方で制御する場合には高い温度応答性が得られないという問題があった。さらに、試料台の温度という１つの制御変数に対して、膨張弁の開度と凝縮器での熱交換量という２つ制御の対象に対する各々への制御が互いに干渉して目標である試料台の温度が不安定となってしまう虞があった。
【００１９】
本発明の目的は、高い温度応答性と広い温度の設定可能な範囲を実現でき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】
【００２０】
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、この処理室内に配置されその上面に前記プラズマを用いた処理の対象である試料が配置される試料台と、この試料台の内部に配置されその内側を冷媒が通流して蒸発器として機能する冷媒流路と圧縮機と凝縮器とがこの順で連結されて構成され当該順に冷媒が通流する冷凍サイクルと、この冷凍サイクル上の前記凝縮器と前記冷媒流路との間並びに前記冷媒流路と前記圧縮機との間に配置された第一、第二の膨張弁と、前記冷凍サイクル上のこの第二の膨張弁と前記圧縮機との間に配置され前記冷媒を加熱して気化する気化器とを備え、前記第一及び第二の膨張弁の開閉の調節と前記凝縮器と前記第二の膨張弁との間の冷媒の温度に基づいた前記凝縮器または前記気化器における冷媒の熱交換量の調節とを行うプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法によりにより達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示す実施例における凝縮器の熱交換量の変化に対する試料台の温度の変化を示すグラフである。
【図３】図１に示す実施例における凝縮器の出口側での温度の変化に対する試料台の温度変化を示すグラフである。
【図４】図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の試料台および冷凍サイクルの構成を模式的に拡大して示す縦断面図である。
【図５】図１に示す実施例における気化器の熱交換量の変化に対する試料台の温度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の携帯を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施例について図１〜図３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。特に、本実施例は、真空容器内部に配置された処理室内にマイクロ波の電界と所定の強度の磁界とを供給して当該処理室内に導入された処理用ガスを励起してプラズマを形成し、処理室内のプラズマが形成される領域下方に配置された試料台の上面に載せられて保持された半導体ウエハ等基板状の試料上面の対象の膜をエッチング処理するＥＣＲプラズマエッチング装置を示している。
【００２４】
本図において、プラズマ処理装置１００はその内部に処理室３を有する真空容器と真空容器内部に配置された試料台とを含む真空容器部、その上方および周囲に配置され上記電界または磁界を処理室３に供給するプラズマ形成部と、真空容器下方に配置され処理室３内部と開口を介して連通され当該内部を排気して減圧する真空排気部とを有している。また、真空容器の外側壁は、図示されていない真空容器であって処理室３と同等またはわずかに高い値の圧力まで減圧された内部の室内を試料がロボットアーム等に載せられて搬送される搬送容器と着脱可能に連結されて、処理室３内部と搬送容器内部の搬送室とは真空容器側壁に配置された開口であるゲートを介して連通可能に構成されている。
【００２５】
真空容器は、横断面が円形の円筒形を有した処理室３を構成する円筒部を有した容器であり、内側壁面が円筒形の処理室壁１はその上端の上方に石英製の円板であって真空容器を構成する処理室蓋２が載せられている。この処理室蓋２と処理室壁１の断面リング状の上端との間が図示しないシール部材を挟んで押圧することにより、処理室３内部とその外側の大気雰囲気との間が気密に封止され、処理室３内部が所定の圧力まで減圧可能に区画されている。
【００２６】
処理室３の内部のプラズマが形成される空間の下方には試料台４が配置され、その上面に上記ロボットアーム等搬送用の装置により基板状の試料５（本実施例では、半導体ウエハ）が搬送されて載置される。真空容器の上部にはガス導入管６が連結され、その内部は処理室３の上部であるプラズマ形成用の空間と連通されて、図示しないガス源と連結されたガス導入管６内部を通流するプラズマエッチング処理を行うための処理ガス７が処理室３の上部であるプラズマ形成用の空間に面したガス導入孔を通して処理室３に導入される。
【００２７】
試料台４の下方の処理室３の下部には処理室３内部のガスや粒子が排出される開口である排気口８が配置されている。排気口８は、図上処理室３を囲む真空容器の底部に配置されているが、試料台４を処理室３内部において上下方向の中央部に保持してその試料台５の直下方に排気口８を配置して、円筒形の真空容器または処理室３、円筒形の試料台４、円形の排気口８の各々の上下方向の中心軸が一致または一致と見倣せる程度の近接した位置に配置されても良い。
【００２８】
排気口８は、真空容器の外側下方に配置された圧力調節バルブ９および真空ポンプの一種であるターボ分子ポンプ１２と連結され、これらの動作により処理室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を通して処理室３外に排出される。本実施例の圧力調節バルブ９は排気口８からターボ分子ポンプ１２とを連結するダクトである排気経路の流路断面積を増減させる機能を有し、この開度の調節による排気口８からの排気の流量速度とガス導入管６から処理室３に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内部の圧力がウエハ５の処理または搬送に適した圧力（本実施例では０．１〜１０Ｐａの範囲内の値）に調節される。
【００２９】
プラズマ形成部は真空容器の外側であって処理室蓋２の上方および真空容器壁１の側方に配置された電界および磁界を形成する手段およびこれらを伝播する手段を含む。本実施例において電界はマイクロ波発振器１４により形成され、形成されたマイクロ波１０は、導波管１６を通って伝播して石英製の処理室蓋２を透過して処理室３に供給される。
【００３０】
導波管１６は、断面が円形の処理室蓋２の上方に上下方向に延在する円筒形部とこの円筒形部の上端部とその一端部が連結されて水平方向に延在する断面が矩形である矩形筒部とを有している。マグネトロン等のマイクロ波発振器１４は矩形筒部の他端部に配置されている。
【００３１】
処理室蓋２の上側と処理室壁１の外側周囲には、直流の磁界発生の手段であるソレノイドコイル１８が設置されており、これによって生成された磁界が処理室３内部に供給される。マイクロ波発振器１４により形成される所定の周波数（本実施例では２．５４ＧＨｚ）のマイクロ波１０と共鳴を生起できる所定の強度の磁界が処理室３内部に供給され、これらの相互作用により処理ガス７の粒子が励起されて処理室３内にプラズマ１１が形成され、プラズマ１１を用いて試料５の上面がエッチング処理され。
【００３２】
また、本実施例では処理中に試料５の温度を適切な温度に維持、調節するため、試料台４の内部に配置された冷媒流路２０に冷媒としてＲ４１０ａ（ハイドロフルオロカーボン）が供給され循環している。冷媒流路２０は、円筒形の試料台４が備える円板状の金属製の基材の円形の断面の中心の周りに複数の多重の円形またはリング形状、或いはら旋状に配置されて断面が矩形を有している。
【００３３】
本実施例では、冷媒流路２０の出口から第二膨張弁２４−２、冷媒気化器２６、圧縮機２１、凝縮器２２、第一膨張弁２４−１、冷媒流路２０入口の順で、これらが内部を冷媒が流れる冷媒管により連結されて冷媒が循環する冷却サイクルが構成されている。冷媒流路２０およびこれを内包する試料台４の基材は冷凍サイクル上で蒸発器として機能する。
【００３４】
冷凍サイクルにおいて凝縮器２２は冷媒がその流路の内部で熱交換を行い潜熱を放出し液化する熱交換器であって、冷媒と熱交換する２次媒体である熱交換媒体２３−１が通流する管路３０と熱的に接続され、冷媒と熱交換媒体２３−１とが熱交換する構成を備えている。具体的には、複数の湾曲部と直線状部とを複数個有して複数の直線状部が並列に配置され冷媒管が貫通する複数の金属製のフィンに、冷媒管と同様に湾曲部と並列の直線状部との組み合わせで構成された熱交換媒体２３−１の管路３０が接触または貫通して配置されて凝縮器２２を構成している。
【００３５】
凝縮器２２の熱交換媒体２３−１の管路３０の供給口（入口）もしくは排出口（出口）と連結された管路上には、熱交換媒体２３−１の流量または温度を所定の値に調節する手段である凝縮器流量弁２８が配置されている。本実施例では、熱交換媒体２３−１として水を使用し凝縮器流量弁２８の動作による流量の制御を行うものである。熱交換媒体２３−１はフロリナート等の冷媒を使用することも可能であり、また温度を調整した可沸または非可沸の冷媒を凝縮器２２の管路３０に供給して凝縮器２２における熱交換量を調節してもよい。
【００３６】
また、本実施例では、冷媒流路２０出口と圧縮機２１の入口との間の冷媒管上には、液状態の冷媒を加熱してその全てまたは実質的に完全に蒸発させて気化する冷媒気化器２６が配置されている。冷媒気化器２６も凝縮器２２と同様に熱交換器であって、並列に配置された複数の冷媒管の直線状部が貫通する複数フィンと２次冷媒である熱交換媒体２３−２が通流する蛇行して配置された管路３１とが熱的に接続されて冷媒と熱交換媒体２３−２とが熱交換する構成を備えている。
【００３７】
さらに、試料台４または第一膨張弁２４−１と第二膨張弁２４−２との間に冷媒の温度または蒸発器の温度を検知する温度センサである負荷側温度計２７が配置され、凝縮器２２と第一膨張弁２４−１との間に凝縮器出口における冷媒の温度を検知する冷媒温度計２５が配置されている。本実施例では、負荷側温度計２７は試料台４の基材の内部に配置された抵抗体を含むものである。
【００３８】
次に、本実施例の冷凍サイクルが試料台４（蒸発器）の温度を調節する動作について説明する。試料台４上の載置面上に試料５が載せられて処理室３内でプラズマが形成され試料５の処理が行われているものとする。この状態において、冷凍サイクルは試料台４または基材ひいては試料５の温度をこれから実施される或いは進行しているエッチング処理に適切な範囲にするために後述の制御装置である温度制御基板１０１からの指令信号に応じて動作する。
【００３９】
冷凍サイクルの冷媒は回転する圧縮機２１の動作により送り出され、管路を通して凝縮器２２に導入される。凝縮器２２において管路３０内に凝縮器流量弁２８により流量、速度或いは温度が所定の範囲に調節された水が供給される。凝縮器２２内の冷媒管に導入された冷媒と管路３０内の水とが熱交換することで冷媒内部の潜熱が放出されて水に伝達され冷媒が凝縮される。
【００４０】
凝縮されて液化された冷媒は、開度が所定の範囲にされた第一膨張弁２４−１を経て試料台４内の冷媒流路２０の入口から内部に導入される。冷媒流路２０内部の冷媒は、プラズマから試料５およびこれを介し試料台４に供給される熱量により温度が上昇する基材と熱交換した結果蒸発しつつ通流して、冷媒流路２０近傍の基材の温度を冷媒の蒸発温度に近い値にする。
【００４１】
冷媒流路２０内部で気体および液体の混合（気液混合）の状態となっている冷媒は、冷媒流路２０の出口から流出して冷媒管を通りその開度が調節された第二膨張弁２４−２を経て冷媒気化器２６に導入される。冷媒気化器２６の管路３１には、凝縮器２２の管路３０と同様に、熱交換媒体２３−２として水が導入されており、第二膨張弁２４−２を通過することでその温度が下がった冷媒と熱交換媒体２３−２の水とが熱交換することにより液状態の冷媒はその全部があるいはこれと見倣せる程度にほぼ全てが気化される。
【００４２】
本実施例では、開閉による冷媒の流路の断面積を増減する第一膨張弁２４−１および第二膨張弁２４−２の開度を調節することにより、冷媒流路２０に導入される冷媒の温度または圧力がエッチング処理に適した所期の範囲内の値に調節される。例えば、上記冷凍サイクルにおいて第一膨張弁２４−１の開度を小さく、または第二膨張弁２４−２の開度を大きくするとこれらの間の部分において冷媒の圧力が低下し、結果として冷媒流路２０を循環する冷媒の温度が下がり、冷媒の蒸発温度が低下する。
【００４３】
逆に、第一膨張弁２４−１の開度を大きく、または第二膨張弁２４−２の開度を小さくすると、冷媒流路２０を通流する冷媒の圧力が上昇して冷媒の温度が上がり、冷媒の蒸発温度が上昇する。上記のように、第一膨張弁２４−１と第二膨張弁２４−２は各々の開度の増減を調節することで、冷媒流路２０ひいては試料台４（の上面）、試料５の温度を調節できる。特に、本実施例では、第一膨張弁２４−１と第二膨張弁２４−２は各々の開度の増減の動作を逆の方向に並行して行うことで、第一膨張弁２４−１または第二膨張弁２４−２のどちらか一方を単体で使用する場合に比べて、広い範囲にわたる温度を実現でき、さらには、温度の変化の応答性を向上させることができ、より高い精度で所期の温度を実現できる。
【００４４】
本実施例においては、温度制御基板１０１からの指令信号に応じて、第一膨張弁２４−１、第二膨張弁２４−２の開度の増減は、一方の開度の増大するとともに他方が減少するように調節される。具体的には、温度制御基板１０１は一方の開度を増大させる動作と並行して他方の開度を減少させる動作をするように各々に指令しこれら動作を調節する。開度の詳細な値は、一方の開度の逆数と他方の開度の逆数の和が一定値となるように、各々の開度が温度制御基板１０１の演算器により所定のアルゴリズムを用いて算出され、これらの開度の値となるように第一膨張弁２４−１、第二膨張弁２４−２の動作が調節される。
【００４５】
また、凝縮器２２における熱交換量の調節により冷媒流路２０内における冷媒の温度を調節してもよい。例えば、第一膨張弁２４−１の開度を一定としていても、凝縮器２２における冷媒の排熱量を低下させた場合には冷媒流路２０内における冷媒温度は上昇する。逆に、凝縮器２２における排熱量を上昇させたことにより冷媒流路２０内における冷媒温度を低下させることができる。
【００４６】
第一膨張弁２４−１および第二膨張弁２４−２の開度は、試料台４の基材内部に配置された負荷側温度計２７からの出力を用いて検出された情報に基づいて温度制御基板１０１からの指令信号に応じて調節される。また、凝縮器２２と第一膨張弁２４−１の間の冷媒管上に配置し凝縮器出口における冷媒の温度を検知する冷媒温度計２５の出力から検出された値に基づき凝縮器流量弁２８の開度あるいは温度の設定が調節されて凝縮器２２における熱交換量が調節される。
【００４７】
なお、本実施例ではエッチング処理中における試料５の温度の目標値が温度制御基板１０１内部の記憶手段に予め格納されたプログラム等ソフトウエアにプログラミングされている。有線又は無線の通信を介して上記の各温度計から出力された信号が伝達され、当該信号を通信インタフェースにより受信した温度制御基板１０１において対象となる温度が検出されその値に応じて予め内部に配置された記憶手段に格納されたソフトウエア等のアルゴリズムに沿って各制御対象の弁開度が同じく内部に配置された演算手段により算出され、これに基づいた指令信号が第一膨張弁２４−１および第二膨張弁２４−２または凝縮器流量弁２８に発信されることで試料５または試料台４の温度がフィードバック制御される。
【００４８】
図２は、図１に示す実施例における凝縮器の熱交換量の変化に対する試料台の温度の変化を示すグラフである。個の図に示す通り、凝縮器２２に流入する水の流量を増やして凝縮器２２における冷媒の排熱量（水に伝達される冷媒の潜熱の量）を増大させた場合には、凝縮器２２における熱交換量が増加することで、第一膨張弁２４−１の開度が増減しない場合でも、冷媒流路２０内の冷媒の温度、圧力或いは蒸発温度が低下して試料台４の温度Ｔが低下する。つまり、凝縮器２２における熱交換量を増減させることで、試料台４の温度Ｔを調節することが可能となる。
【００４９】
本図に示す通り、凝縮器２２出口の冷媒温度Ｔ０の変化と試料台４の温度Ｔの変化とは同様に一様現象の特性を示している。なお、本図は、第一膨張弁２４−１の開度が所定の値にされていて流路抵抗が発生している状態（第一膨張弁２４−１は全開の状態で冷媒管の内部の流路を遮るものがない全通の状態となる）の例であり、これにより第一膨張弁２４−１に対して上流側の凝縮器２２出口の冷媒温度Ｔ０が下流側の試料台４の温度Ｔよりも高くなっている。
【００５０】
図３は、図１に示す実施例における凝縮器の出口側での温度の変化に対する試料台の温度変化を示すグラフである。本図において、横軸の凝縮器２２出口冷媒温度Ｔ０の上昇に伴って試料台４の温度Ｔの温度も上昇する。これは、図２における説明と同様に、凝縮器２２の熱交換量を低下させるほど凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０が上昇し、ひいては試料台４の温度Ｔが上昇することを示している。
【００５１】
また、本図は冷凍サイクルの膨張弁による温度可変範囲を示している。第一膨張弁２４−１の開度を小さくすることで試料台温度Ｔを低温に制御でき、逆に第一膨張弁２４−１の開度を大きくすることで試料台温度Ｔを高温に制御できる。この際、第二膨張弁２４−２を設置して、第一膨張弁２４−１に対して開度の増減の方向が逆方向に動作させることで、膨張弁２４−１，２４−２による可変温度範囲δＴが拡大する。以上より、凝縮器２２における熱交換量を制御して凝縮器出口の冷媒温度Ｔ０をＡに制御した場合、第一膨張弁２４−１と第二膨張弁２４−２の開度を対に制御することにより、試料台温度ＴはＴ１からＴ３までの範囲で温度を制御可能であることがわかる。
【００５２】
ここで、直膨式の試料台の冷却装置を用いて高い温度応答性と広い温度制御範囲を実現するためには、上記図１〜図３のシステム構成および制御方法が有効であることを説明する。
【００５３】
冷凍サイクルを用いた対象の温度の制御において試料台４（熱交換器）の温度の応答性の点からは、膨張弁２４−１または２４−２による冷媒の温度（または圧力、蒸発温度）の調節が有効となる。一方、本実施例において凝縮器２２における熱交換量を調節する場合は、凝縮器流量弁２８の開度が調節され凝縮器２２に流入する熱交換媒体２３−１の流量が増減された結果熱交換の量が変化するものとなることからその凝縮器流量弁２８の動作の開始から冷媒の温度の所望の値までの変化に時間を要する。
【００５４】
また、凝縮器２２は冷媒および熱交換媒体２３−１の２つの媒体が通流しておりその熱容量が相対的に大きいことも、熱交換量を所望の値まで変動させるのに時間を要する要因となる。一方で、膨張弁２４−１または２４−２による開度の増減は冷凍サイクル内の冷媒管の流れ抵抗を直接的に調節するものであるため、冷媒の圧力、つまり冷媒の温度を応答性良く調節することができる。そこで、本実施例では、試料５の処理対象膜のエッチング処理開始前に、膨張弁２４−１または２４−２による可変温度範囲δＴがエッチングプロセス時に必要となる温度域をカバーできるように、予め記憶手段に記憶されたデータベースに含まれるデータに基づいて算出された温度制御基板１０１からの指令信号に応じて凝縮器流量弁２２の開度を調節して凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０を設定された範囲内の値となるよう調節しこれを完了する。この後開始されたエッチング処理中は、各々の処理ステップの所定のレシピに応じた適切な試料５の温度を温度制御基板１０１からの指令信号に応じて膨張弁２４−１，２４−２の開度を増減させることにより実現する。
【００５５】
特許文献１のように、凝縮器２２の熱交換量を一定として膨張弁開度のみで試料台温度Ｔを制御した場合には、試料台温度Ｔの温度制御範囲を十分に確保できなくなる場合がある。例えば図３において、試料台温度ＴをＴ１からＴ３の温度範囲で制御することが必要なエッチングプロセスがある場合、凝縮器出口冷媒温度Ｔ０がＡになるように熱交換量を初期設定すればよい。しかし、他のエッチングプロセスにおいてＴ２からＴ４の制御が必要となる場合には、本実施例のような凝縮器２２の熱交換量の熱交換量制御ができない従来技術では、Ｔ２からＴ３までの温度範囲までしか対応できずＴ３からＴ４の温度範囲を実現できないため、所期の結果を得ることができない。
【００５６】
また、凝縮器２２における排熱量は凝縮器２２に流入する熱交換媒体の流量や温度によって変化することを考えれば、半導体デバイスの製造工場の冷却水の水量または温度が変化した場合にその影響を受けて可変温度範囲が変化してしまう虞がある。実際に、半導体デバイスを製造する工場によっては使用する冷却水の温度が各々異なる場合が一般的である。このように凝縮器２２における熱交換量が適切に調節できない場合には、結果として所望の試料台４の温度Ｔを実現することが困難となる。
【００５７】
ここで、試料台温度Ｔを検知して膨張弁開度および凝縮器２２の熱交換量を制御した場合の実際の動作例を図３を用いて述べる。例えば、エッチングプロセス中に試料台温度ＴをＴ１からＴ３の範囲で制御する必要があり、最初のステップの温度設定値（目標値）がＴ２であると仮定する。この場合、試料台温度計２７からの検出値に基づいて膨張弁開度と凝縮器２２の熱交換量が制御され、凝縮器出口温度Ｔ０がＢで、試料台温度ＴがＴ２に達したとする。次にエッチングプロセス中に試料台温度Ｔの設定値（目標値）がＴ１に変化した場合、膨張弁は既に低温側の限度まで制御された状態であり、凝縮器２２の熱交換量を増やして出口冷媒温度Ｔ０をＢからＡに制御する必要がある。この場合には凝縮器２２の熱交換量により試料台温度ＴをΔＴ分だけ温度制御することとなり、高い応答性は得られない。
【００５８】
故に、本発明では凝縮器２２出口と第一膨張弁２４−１の間に凝縮器出口冷媒温度Ｔ０を測定する温度計２５を設け、この検出値に基づいて凝縮器流量弁２８の開度を制御することで凝縮器２２の熱交換量を調節し、膨張弁の温度制御範囲を確保することができる。これにより、所望の温度範囲において、膨張弁による高速な温度制御が可能となる。
【００５９】
処理対象のウエハである試料５上に予め形成され配置された処理対象の少なくとも１層の膜構造を複数の処理ステップを用いてエッチング処理する場合に、これらの処理ステップに適した試料５または試料台４上面の温度の値或いは差の大きさがδＴを超えていることが処理前に、プラズマ処理装置１００が設置されたクリーンルーム等の建屋において試料が内部に収納されたカセットの搬送のタイミングや量或いはこれらカセット毎の処理の条件を指令しこれらの動作を制御するするホストコンピュータからのレシピを受信して判定した結果判明した場合、これらの処理条件における適切な温度の値がδＴの範囲で実現できる凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０となるように、温度制御基板１０１からの指令信号に基づいて凝縮器流量弁２８で設定される開度或い温度が増減される。すなわち、図３において、対象の膜のエッチング処理のステップにおける適切な試料４の温度がＴ３〜Ｔ４の範囲内であることが判明した場合には、処理の開始前に処理捨て府凝縮器２２の出口温度Ｔ０をＡからＢの方向に増大させて、これら処理ステップでの適正温度が第一及び第二膨張弁２４−１，２４−２の対となる開閉の動作で可変可能な温度範囲δＴで実現できる凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０の値が演算器により所定のアルゴリズムに沿って算出されＡ以上の温度で選択され、指令信号に応じて実施される冷媒温度計２５の出力を用いたフィードバック制御による凝縮器流量弁２８の動作に応じた熱交換量の増減によって実現される。
【００６０】
上記の実施例における冷媒流路２０での冷媒の温度、圧力、蒸発の温度の調節により処理に適した範囲に試料台４（及びその上面、試料５）の温度をにする動作は、第一膨張弁２４−１、第二膨張弁２４−２、凝縮器流量弁２８の動作を連動させて行われる。一方で、一般的に、上記処理ステップの適正な温度を含む処理の条件は、同等或いはそれと見倣せる程度に近似した膜構造をその上面に有した複数枚の半導体ウエハ等試料５の纏まり（ロット)毎に設定される。このことから、凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０を選択して増減させる調節は、処理の空き時間、例えば上記処理の条件が変更されるロット毎にその開始前、或いは前のロットに対する処理の終了後や処理対象の最後の試料５の処理が終了し次のロットまたは同ロットの次のカセットからの試料５の処理の開始までの間に行い、処理ステップ間の試料５或いは試料台４の温度の変更は第一、第二膨張弁２４−１，２４−２の対の開閉の動作によって行うようにしても良い。
【００６１】
図４は、図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の試料台および冷凍サイクルの構成を模式的に拡大して示す縦断面図である。
【００６２】
試料台４の上面またはこれに載せられた試料５の温度をその面内の不均一を低減するためには、試料台４内部の冷媒流路２０内において冷媒が完全に気化されて液状態の冷媒が無くなってしまう、所謂ドライアウトが生起することを抑制して気液二相の状態を保つことが望ましい。一方で、試料台冷媒流路２０の出口まで気液二相の状態が維持された冷媒に含まれた液状態の冷媒が圧縮機２１に流入することを抑制することが必要となる。
【００６３】
本実施例では、冷媒流路２０の出口と圧縮機２１の入口との間で液状態の冷媒を蒸発させるために、試料台４と圧縮機２１の間、特には第二膨張弁２４−２と圧縮機２１との間の冷媒管上に冷媒気化器２６が配置されている。冷媒気化器２６は、凝縮器２２と同様に熱交換器をであって、冷媒管と熱的に接続されて冷媒と熱交換する熱交換媒体２３−２が通流する管路３１を備えている。冷媒気化器２６と試料台４の冷媒流路２０出口との間には第二膨張弁２４−２が配置されており、第二膨張弁２４−２で減圧されて蒸発温度が低下した冷媒はに含まれる液状態の冷媒は冷媒気化器２６の冷媒管を通流する間に管路３１を流れる水から熱を受け取って蒸発し、液状態の冷媒を含まない気体の状態で圧縮機２１に戻る。
【００６４】
この際、冷媒気化器２６において冷媒が蒸発する際に吸収する潜熱の量（吸熱量）の大小により冷媒のかわき度が変化する。このため、例え第一膨張弁２４−１の開度を一定としていても、冷媒気化器２６における吸熱量を増大させた場合には冷媒のエンタルピが上昇し、試料台４内部の冷媒流路２０内における冷媒の蒸発温度が上昇する。
【００６５】
冷媒流路２０ひいては試料台４、その上面に載せられた試料５の温度の値を処理に適した範囲内にするため、冷媒気化器２６における冷媒の吸熱量を調節する必要がある。本実施例では、冷媒気化器２６の入口あるいは出口に連結された管路３１上に熱交換媒体２３−２の流量または速度或いは温度を可変に調節できる、凝縮器流量弁２８と同等の構成を備えた気化器流量弁２９を備えている。
【００６６】
図５は、図１に示す実施例における気化器の熱交換量の変化に対する試料台の温度の変化を示すグラフである。上記の通り、冷媒気化器２６における熱交換量が増加すると、試料台４の冷媒流路２０内の冷媒の温度、圧力或いは蒸発温度が上昇する。
【００６７】
このことから、試料台４に供給する冷媒の温度をより広い範囲で実現する上では、第一膨張弁２４−１、第二膨張弁２４−２による冷媒の温度または圧力或いは蒸発温度の調節に加えて、凝縮器２２または冷媒気化器２６の熱交換量を調節することが有効であることが判る。本実施例では、凝縮器流量弁２８と気化器流量弁２９の各々の開度を逆方向に制御すること、換言すれば凝縮器２２と冷媒気化器２６の熱交換量を対に制御する。
【００６８】
すなわち、一方の流量または速度を増大させる動作と並行して他方の流量または速度を低減させる動作を行う。例えば、凝縮器流量弁２８の弁の開度の増大或いは熱交換媒体２３−１の温度の低減動作とともに、気化器流量弁２９の弁の開度を低減或いは熱交換媒体２３−２の温度を増大させる動作を行う指令信号を温度制御基板１０１が、凝縮器流量弁２８および気化器流量弁２９に発信する。凝縮器流量弁２８および気化器流量弁２９の動作による熱交換量の増減の応答性は相対的に小さいので、これらの動作を同じ時間に重ねて実施することは必須ではなく、これらの動作による冷凍サイクルによる試料台４の冷媒流路２０内の冷媒の温度（圧力）に許容範囲を超えた増減が生じない程度に、実質的に並行していると見倣せる程度の時間差を付けて動作させても良い。
【００６９】
このような冷凍サイクルの温度制御対象である試料台４以外の熱交換器での熱交換量を積極的に調節する構成より、特に凝縮器流量弁２８および気化器流量弁２９を実質的に並行して動作させることで、試料台４の冷媒流路２０内の冷媒の温度、ひいては試料台４、試料５の温度の実現可能な範囲を広げることができる。これらの温度の調節は、第一膨張弁２４−１、第二膨張弁２４−２、凝縮器流量弁２８、気化器流量弁２９の動作の連動により行っても良く、またまた、凝縮器流量弁２２、気化器流量弁２９の対の開閉の動作による凝縮器２２、気化器２６各々の熱交換量の増減による凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０のフィードバック制御は、実施例と同様に、処理開始前或いは処理の終了後次の処理までの間の空き時間に行うようにしても良い。
【００７０】
以上の通り、上記実施例を適用することにより、広い温度の範囲にわたりエッチング処理の処理ステップで試料５の温度を処理に適した値に高い精度で実現することができる。図４に示す構成を用いて試験を行った結果、凝縮器２２の出口冷媒温度Ｔ０を４７℃に制御することで、試料台４の温度Ｔを膨張弁２４−１，２４−２の開度の増減の調節により温度応答性良く１５〜４５℃の範囲で制御することができた。なお、上記の例では試料台４内の１つの流路について１つの直膨式の冷凍サイクルが構成されてその温度の調節を行う例を述べたが、試料台４にその円形の断面の半径方向または周方向に温度差をつけられるように複数の冷媒流路２０を設置し、各々の冷媒流路２０について熱交換量を調節可能な凝縮器２２または冷媒気化器２６を備えた冷凍サイクルを各々構成することで、試料台４ひいては試料５の当該円形の面内の温度分布を所望のものに高精度で応答性良く実現することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
１…処理室壁、２…処理室蓋、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…冷媒流路、２１…圧縮機、２２…凝縮器、２３…熱交換媒体、２４−１…第一膨張弁、２４−２…第二膨張弁、２５…冷媒温度計、２６…冷媒気化器、２７…負荷側温度計、２８…凝縮器流量弁、２９…気化器流量弁、１０１…温度制御基板。
【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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