(57)【要約】【課題】平面アンテナや誘電体窓を周方向に均一に冷却できるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置の処理容器１００の側壁１４０に誘電体窓１０５を冷却するための冷媒流路１４５を設ける。冷媒流路１４５には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流される。側壁１４０の周方向に伸びる冷媒流路１４５の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなる。ここで、冷媒流路１４５の断面積を小さくすれば、冷媒の流速が大きくなり、熱伝達率が大きくなる。冷媒流路１４５の断面積を上流から下流に向けて漸次小さくすると、冷媒の温度上昇に伴う温度差の低下分を熱伝達率の向上分により補うことができ、冷媒流路１４５の長さ方向における熱移動量をほぼ一定にすることができる。このため、平面アンテナ９０５や誘電体窓１０５を周方向に均一に冷却することが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にて被処理体にプラズマ処理を行う密閉可能な処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を保持する載置台と、
前記処理容器の天井部に配置され、前記処理容器の内部を密閉する誘電体窓と、
前記誘電体窓の上部に配置され、マイクロ波を前記処理容器内に放射するマイクロ波アンテナと、を備えるプラズマ処理装置において、
前記処理容器の側壁には、前記誘電体窓を冷却するための冷媒流路が設けられ、
前記冷媒流路には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流され、
前記側壁の周方向に伸びる前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置。
【請求項２】
内部にて被処理体にプラズマ処理を行う密閉可能な処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を保持する載置台と、
前記処理容器の天井部に配置され、前記処理容器の内部を密閉する誘電体窓と、
前記誘電体窓の上部に配置され、マイクロ波を前記処理容器内に放射するマイクロ波アンテナと、
前記マイクロ波アンテナの上部に配置され、前記マイクロ波アンテナを冷却するための冷媒流路を有する冷却板と、を備えるプラズマ処理装置において、
前記冷却板には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流され、
前記冷却板に巡らされる前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記冷媒流路の断面形状が矩形であり、
前記冷媒流路の上流から下流に向けて前記冷媒流路の幅が一定のまま高さが漸次低くな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。
【請求項４】
前記冷媒流路の高さが、前記冷媒流路の経路長のｎ次の数式で表わされることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。ただし、ｎは自然数。
【請求項５】
前記冷媒流路は、前記処理容器の側壁に一巻き以上の巻き数を有する螺旋状に形成され、
少なくとも一巻きの冷媒流路において、上流から下流に向けて冷媒流路の高さが漸次低くなることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記冷媒流路は、前記処理容器の側壁に二巻き以上の巻き数を有する螺旋状に形成され、
一巻きの冷媒流路において、上流から下流に向けて冷媒流路の高さが漸次低くなると共に、
一巻きの冷媒流路と他の一巻きの冷媒流路の接続部分において、冷媒流路の高さが元の高さに戻ることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記冷媒流路は、前記処理容器の側壁に環状に形成される一巻きの環状の冷媒流路を上下方向に複数配列してなり、
前記一巻きの環状の冷媒流路において、上流から下流に向けて冷媒流路の高さが漸次低くなることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記冷媒流路は、前記処理容器の前記側壁の周方向に伸びる第一及び第二の冷媒流路を有し、
前記第一及び前記第二の冷媒流路を流れる冷媒の流れ方向は互いに対向し、
前記第一の冷媒流路は、上流から下流に向けて冷媒流路の高さが漸次低くなり、その後冷媒流路の高さが高くなり、
前記第二の冷媒流路は、上流から下流に向けて冷媒流路の高さが漸次低くなり、その後冷媒流路の高さが高くなることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記冷媒流路は、前記冷却板に一巻き以上の巻き数を有する渦巻き状に形成され、
少なくとも一巻きの冷媒流路において、上流から下流に向けて冷媒流路の高さが漸次低くなることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記冷媒は、フッ素系の液体であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
内部にて被処理体にプラズマ処理を行う密閉可能な処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理体を保持する載置台と、
前記処理容器内にプラズマを励起させるプラズマ励起手段と、
前記プラズマによって加熱された部材を冷却するための冷媒流路と、を備えるプラズマ処理装置において、
前記冷媒流路には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流され、
前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置。
【請求項１２】
被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に組み込まれ、プラズマによって加熱された部材を冷却するためのプラズマ処理装置用冷却装置であって、
相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流される冷媒流路を有し、
前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハ、液晶用基板、有機ＥＬ素子等の被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生活のいたるところで用いられる半導体デバイスには、高速な処理ができること、より低消費電力であること等が求められている。この要求を満たすため、半導体デバイスには高集積化及び微細化が必要とされている。半導体デバイスの高集積化及び微細化にしたがって、半導体デバイスの製造装置には半導体基板上の微細な構造物を低ダメージで処理することが求められている。
【０００３】
低ダメージでの処理が可能なプラズマ処理装置として、低電子温度かつ高密度のプラズマを生成することができるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。半導体基板のエッチングや製膜処理に用いられるマイクロ波プラズマ処理装置には、処理容器内にマイクロ波を均一に導入し、均一にプラズマを生成できるＲＬＳＡ(Radial Line Slot Antenna)方式の平面アンテナが一般的に用いられる。このＲＬＳＡ方式の平面アンテナによれば、マイクロ波を均一に処理容器内へ供給できるので、半導体基板を面内で均一に処理することができる。しかも、アンテナ直下の広い領域に高密度のプラズマを生成できる。さらに低電子温度のプラズマを生成することができるので、半導体基板のダメージを少なくすることができる。
【０００４】
ＲＬＳＡの平面アンテナは、マイクロ波を伝搬させる同軸導波管に接続される。同軸導波管から供給されたマイクロ波は、アンテナ内のディスク状の誘電体板内部を半径方向に伝搬する。誘電体板内部で波長が圧縮されたマイクロ波は、誘電体板の下部に密着するスロット板のスロットを介して処理容器内に放射される。処理容器内のマイクロ波の電界により処理容器内のプラズマ励起用ガスがプラズマ状態に励起される。
【０００５】
このような平面アンテナは、プロセス時に主にプラズマによって加熱される。平面アンテナが加熱されると、平面アンテナを構成する各部品の熱膨張率の差から平面アンテナが変形してしまい、マイクロ波の伝搬特性が変化してしまうおそれがある。マイクロ波は、アルミナ等から作られた誘電体板内を半径方向に伝搬し、定在波を形成し、銅等から作られたスロット板のスロットを介して処理容器内に供給される。熱膨張率の高いスロット板に形成されるスロットの位置が変位すると、誘電体板内のマイクロ波が乱れてしまい、処理容器内に供給されるマイクロ波の伝搬状態が変化してしまう。こうなると、処理容器内のマイクロ波によって励起されるプラズマ状態も変化する。特に処理装置が大型化した場合には、熱膨張率の差による変位量が大きくなる。
【０００６】
プラズマによって加熱される平面アンテナの変形を防止するために、特許文献１には、平面アンテナの上部に冷却ジャケットを設け、冷却ジャケットの冷媒流路に冷媒を流すことによって平面アンテナを冷却する冷却装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３５３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の冷却装置においては、冷媒流路を流れる冷媒が徐々に加熱されるので、冷媒流路の入口側と出口側の冷媒温度が異なり、冷媒流路の壁面から冷媒への抜熱量（熱移動量）が不均一になるという問題がある。抜熱量（熱移動量）は、冷媒流路の壁面と冷媒との温度差に比例する。よって、入口側と出口側で冷媒温度が異なると、温度差も異なり、抜熱量も異なってしまう。
【０００９】
平面アンテナを均一に冷却するために、従来の冷却装置においては、一本の冷媒流路を中間地点で折り返し、折り返した冷媒流路を隣り合うように配置していた。このように冷媒流路を配置することで、冷媒流路前半の抜熱量と冷媒流路後半の抜熱量を平均化させることができる。
【００１０】
しかし、冷媒流路を折り返した場合、平面アンテナの特定の部分を均一に冷却できても、平面アンテナを全周にわたって均一に冷却することが困難になる。また、冷媒流路を折り返すと、冷媒流路の設置面積も大きくなり、処理容器の狭い側壁内に冷媒流路を設置することも困難になる。
【００１１】
２００ｍｍ基板から３００ｍｍ基板へと大口径化している半導体基板を処理する近年のマイクロ波プラズマ処理装置には、平面アンテナのマイクロ波の伝搬状態を従来よりもできるだけ変化させないことが要請されている。この要請により冷却装置には、平面アンテナをより均一に冷却することが望まれる。
【００１２】
そこで本発明は、平面アンテナや誘電体窓を周方向に均一に冷却できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理装置用冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、内部にて被処理体にプラズマ処理を行う密閉可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、被処理体を保持する載置台と、前記処理容器の天井部に配置され、前記処理容器の内部を密閉する誘電体窓と、前記誘電体窓の上部に配置され、マイクロ波を前記処理容器内に放射するマイクロ波アンテナと、を備えるプラズマ処理装置において、前記処理容器の側壁には、前記誘電体窓を冷却するための冷媒流路が設けられ、前記冷媒流路には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流され、前記側壁の周方向に伸びる前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置である。
【００１４】
本発明の他の態様は、内部にて被処理体にプラズマ処理を行う密閉可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、被処理体を保持する載置台と、前記処理容器の天井部に配置され、前記処理容器の内部を密閉する誘電体窓と、前記誘電体窓の上部に配置され、マイクロ波を前記処理容器内に放射するマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナの上部に配置され、前記マイクロ波アンテナを冷却するための冷媒流路を有する冷却板と、を備えるプラズマ処理装置において、前記冷却板には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流され、前記冷却板に巡らされる前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置である。
【００１５】
本発明のさらに他の態様は、内部にて被処理体にプラズマ処理を行う密閉可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、被処理体を保持する載置台と、前記処理容器内にプラズマを励起させるプラズマ励起手段と、前記プラズマによって加熱された部材を冷却するための冷媒流路と、を備えるプラズマ処理装置において、前記冷媒流路には、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流され、前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置である。
【００１６】
本発明のさらに他の態様は、被処理体にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に組み込まれ、プラズマによって加熱された部材を冷却するためのプラズマ処理装置用冷却装置であって、相変化させることなく液相又は気相の冷媒が流される冷媒流路を有し、前記冷媒流路の少なくとも一部は、上流から下流に向けて漸次断面積が小さくなるプラズマ処理装置用冷却装置である。
【発明の効果】
【００１７】
冷媒流路の壁面から冷媒に伝わる熱移動量Ｑは、Ｑ＝ｈＡ（Ｔｗ−Ｔ０）で表わされる。ｈ：熱伝達率、Ａ：伝熱面積、（Ｔｗ−Ｔ０）：壁面と冷媒の温度差
【００１８】
冷媒流路の断面積を小さくすれば、冷媒の流速が大きくなり、熱伝達率ｈが大きくなる。本発明のように冷媒流路の断面積を上流から下流に向けて漸次小さくすると、冷媒の温度上昇に伴う温度差の低下分を熱伝達率ｈの向上分により補うことができ、冷媒流路の長さ方向における熱移動量をほぼ一定にすることができる。このため、平面アンテナや誘電体窓を周方向に均一に冷却することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態のプラズマ処理装置の全体の構成図
【図２】アッパープレートに形成される冷媒流路を示す図（図中（ａ）が平面図、図中（ｂ）が断面図）
【図３】冷媒流路の方位角と溝高さとの関係を示すグラフ（図中（ａ）が冷媒流路が三巻きのときを示し、図中（ｂ）が冷媒流路が三巻きのときを示す）
【図４】アッパープレートに形成される冷媒流路の他の例を示す図（図中（ａ）が平面図、図中（ｂ）が断面図）
【図５】冷媒流路の方位角と溝高さとの関係を示すグラフ（３次式）
【図６】冷却板に形成される冷媒流路を示す図（図中（ａ）が断面図、（ｂ）が平面図）
【図７】従来例と本発明例とで抜熱線密度を比較した計算結果を示すグラフ
【図８】抜熱線密度差異の流量依存性を示すグラフ
【図９】冷媒流路の高さを経路長の３次式にしたときの、方位角と溝高さとの関係を示すグラフ
【図１０】冷媒流路の高さを経路長の３次式にしたときの、方位角と単位長さ抜熱率分布との関係を示すグラフ
【図１１】冷媒流路の高さを経路長の３次式にしたときの、流量と均一性との関係を示すグラフ
【図１２】アッパープレートに二経路の冷媒流路を設けた例を示す図（図中（ａ）が平面図、図中（ｂ）が断面図）
【図１３】方位角と第一及び第二の冷媒流路の溝高さとの関係を示すグラフ
【図１４】冷媒流路の溝高さを一定にしたときの、方位角と単位長さ抜熱率分布との関係を示すグラフ（比較例）
【図１５】冷媒流路の溝高さを変化させたときの、方位角と単位長さ抜熱率分布との関係を示すグラフ（本発明例）
【図１６】冷媒流路の溝高さを変化させたときの、流量と均一性との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を説明する。図１は、プラズマ処理装置の全体の構成図を示す。
【００２１】
全体がほぼ円筒形状に形成される処理容器１００は、アルミニウム又はアルミニウムを含有するステンレス鋼からなる。処理容器１００の内壁面には、酸化アルミニウム（アルミナ）皮膜やイットリア（Ｙ２Ｏ３）皮膜からなる保護皮膜が形成されている。
【００２２】
処理容器１００の天井部には、処理容器１００の内部を密封すると共に、マイクロ波を透過させる誘電体窓１０５がシールリング１１０を介して載せられる。誘電体窓１０５は、石英やセラミック（アルミナや窒化アルミ等）からなる。誘電体窓１０５は処理容器１００の側壁の上部の押えリング２００によって処理容器１００に固定される。
【００２３】
処理容器１００の側壁には、処理空間Ｕに処理ガスを導入するためのガス導入手段５１０が設けられる。この実施形態では、処理空間Ｕを下段シャワー５１５によって二つの領域に区画し、上方に位置するガス導入手段５１０からはアルゴンガス、クリプトンガス等のプラズマ励起用のガスを、下段シャワー５１５からはプロセス処理用のガスを導入するようにしている。ガス導入手段５１０及び下段シャワー５１５はガス供給源５０５に接続されている。なお、下段シャワー５１５を設けずに、ガス導入手段５１０からプラズマ励起用のガス、プロセス処理用のガス、及びクリーニング用のガスを任意に導入できるようにしてもよい。下段シャワー５１５を設けない場合、下段シャワー５１５によって区画される処理容器１００の側壁の上部（以下アッパープレート１４０という）は、側壁に一体に形成される。また、ガス導入手段５１０をシャワーヘッド状に構成し、処理容器１００の天井部に設けてもよい。
【００２４】
冷却装置としてのアッパープレート１４０には、誘電体窓１０５を冷却するための冷媒流路１４５が設けられる。冷媒流路１４５には、冷媒として高い電気絶縁性と熱伝導性を有するフッ素系の液体が流される。冷媒が冷媒流路１４５を流れている間、冷媒は相変化することがなく、液相のまま冷媒流路１４５を流れる。アッパープレート１４０で誘電体窓１０５を冷却するとき、アッパープレート１４０の温度を９０℃以下（目安は７０℃〜８０℃）、誘電体窓１０５の温度を１５０℃以下にするのが望ましい。冷媒流路１４５の構造については後述する。
【００２５】
下段シャワー５１５によって区画される処理容器１００の側壁の下部には、被処理基板を搬入及び搬出するための図示しない搬出入口が設けられる。搬出入口はゲートバルブによって開閉される。
【００２６】
処理容器１００の底部には、内部を真空引きするための排気ポート１３５が形成される。排気ポートは図示しない排気装置に接続されている。
【００２７】
処理容器１００内には、被処理基板であるウェハＷを載置する載置台１１５が設けられる。載置台１１５にはウェハＷを静電吸着力を用いて吸着できるようにバイアスを印加できる高周波電源１２５ｂが接続される。
【００２８】
誘電体窓１０５の上部には、処理空間Ｕにマイクロ波を供給し、プラズマを励起させるマイクロ波アンテナとしてのディスク状の平面アンテナ９０５が配置される。平面アンテナ９０５は、直交する二種類のスロットを有するスロット板９０５ｂと、マイクロ波を反射する導体面２１０ａとスロット板９０５ｂとの間に設けられる誘電体板９０５ａと、からなる。このような平面アンテナ９０５は、ＲＬＳＡ(Radial Line Slot Antenna)と呼ばれる。平面アンテナ９０５は、アンテナ押えによって処理容器１００に固定される。マイクロ波源３３５により生成されたマイクロ波は、矩形導波管３０５をＴＥモードで伝播し、同軸変換器３１０を経て同軸導波管３４０内をＴＥＭモードで伝播する。同軸導波管３４０は平面アンテナ９０５の中心に接続されている。平面アンテナ９０５の中心から導入されたマイクロ波は、誘電体板９０５ａ内で波長が圧縮されながら半径方向に伝播し、スロット板９０５ｂに空けられたスロットから処理空間Ｕ内へ放出される。同軸導波管３４０の内導体は、冷媒供給源４０５から供給される冷媒によって冷却される。
【００２９】
導体面２１０ａの上方には、平面アンテナ９０５を冷却するための冷却装置としての冷却板２１０が設けられる。冷却板２１０は導体面２１０ａと一体に形成されてもよい。導体面２１０ａの上方には、平面アンテナ９０５を冷却するための冷媒流路９１５が形成される。冷媒流路９１５には、冷媒として高い電気絶縁性と熱伝導性を有するフッ素系の液体が流される。冷媒が冷媒流路９１５を流れている間、冷媒は相変化することがなく、液相のまま冷媒流路９１５を流れる。冷却板２１０で平面アンテナ９０５を冷却するとき、冷却板２１０の温度を１１０℃〜１２０℃、平面アンテナ９０５の温度を１５０℃〜１６０℃にするのが望ましい。冷却板２１０の冷媒流路９１５の構成については後述する。
【００３０】
図２はアッパープレート１４０を示す。アッパープレート１４０は環状に形成され、その内周側の上部には誘電体窓１０５が載せられる受部１６０が形成される。アッパープレート１４０の内部には、周方向に伸びる冷媒流路１４５が形成される。冷媒流路１４５は、一巻き以上の巻き数を有する螺旋状に形成される。冷媒流路１４５は全体で一つの入口と出口を有する。アッパープレート１４０を平面図で見たときの入口の方位角と出口の方位角はほぼ一致する。図２（ａ）のようにＸＹ座標をとるとき、入口の方位角は０度で表され、出口の方位角は３６０度で表される。冷媒流路１４５の断面形状は矩形に形成される。冷媒流路１４５の経路長にかかわらず冷媒流路１４５の幅は変化することはない。その一方、冷媒流路１４５の高さは上流から下流に向けて漸次減少する。なお、冷媒流路１４５の入口からの長さは経路長ｓで表され、そのときの方位角はθで表される。
【００３１】
図３（ａ）は、冷媒流路１４５が三巻きのときの高さ変化の一例を示す。この例では、冷媒流路１４５の高さ（溝高さ）が入口から出口に向かって線形に減少する。冷媒流路１４５の幅は変化することなく一定である。このため、冷媒流路１４５の断面積は入口から出口に向けて漸次減少する。
【００３２】
図３（ｂ）は、冷媒流路１４５が三巻きの螺旋状のときの高さ変化の一例を示す。この例では、各一巻きの冷媒流路１４５の高さが方位角０度から略３６０度に向けて漸次減少する。そして、一巻きの冷媒流路１４５と他の一巻きの冷媒流路１４５の接続部分（例えば一巻き目の冷媒流路１４５と二巻き目の冷媒流路１４５との接続部分）において、冷媒流路１４５の高さが元の高さまで高くなる。すなわち、上段に位置する一巻き目の冷媒流路１４５の高さ、中段に位置する二巻き目の冷媒流路１４５の高さ、及び下段に位置する三巻き目の冷媒流路１４５の高さは、方位角が同じであれば同じ高さになる。
【００３３】
冷媒流路１４５は、螺旋状に形成される替わりに円環状の一巻きの冷媒流路１４５を上下方向に複数配列することにより形成されてもよい。この場合、各一巻きの冷媒流路１４５の入口及び出口が設けられる。各一巻きの冷媒流路１４５は、入口から出口に向かって幅は一定のまま高さが漸次減少する。上段に位置する一巻き目の冷媒流路１４５の高さ、中段に位置する二巻き目の冷媒流路１４５の高さ、及び下段に位置する三巻き目の冷媒流路１４５の高さは、方位角が同じであれば同じ高さになる。
【００３４】
実際に冷媒流路１４５を形成する場合、アッパープレート１４０は冷媒流路１４５の巻き数に応じて上下方向に複数に分割される。分割されたアッパープレート１４０それぞれに冷媒流路１４５を構成する溝が形成される。冷媒流路１４５の溝はエンドミル等の工具を使用したＮＣ旋盤によって加工される。工具で冷媒流路１４５の溝を切削加工する場合、数値制御で工具の切り込み深さを制御するだけでよいので、溝の幅を変化させるよりも溝の深さ（高さ）を変化させる方が容易である。図３（ａ）に示すように、冷媒流路１４５の高さは経路長に対して線形であり、経路長をｓ、冷媒流路１４５の高さをｄとすると、ｄ＝ａ・ｓ（ａ：定数）で表される。工具の切込み深さとしてＮＣ旋盤に一次式を入力すれば、冷媒流路１４５の高さを線形に変化させることができる。
【００３５】
図４は、アッパープレート１４０に形成される冷媒流路１４５の他の例を示す。この例では、アッパープレート１４０に一巻きの環状の冷媒流路１４５が形成されている。冷媒流路１４５の入口は方位角０度に配置され、冷媒流路１４５の入口は方位角３６０度に配置される。図５に示すように、冷媒流路１４５の高さは、入口から出口まで漸次低くなるような、経路長ｓの３次の数式で表される。冷媒流路１４５の幅は一定である。このように冷媒流路１４５の高さｄは入口から出口まで漸次低くなればよく、経路長ｓの２次や３次の数式で表されてもよい。
【００３６】
図６は、冷却板２１０に形成される冷媒流路９１５を示す。円盤状の冷却板２１０には、渦巻き状の冷媒流路９１５が形成される。渦巻き状の冷媒流路９１５は一巻き以上形成されればよい。冷媒流路９１５の入口及び出口の方位角は一致する。渦巻き状の冷媒流路９１５の外周側に入口が、内周側に出口が形成されてもよいし、冷媒流路９１５の内周側に入口が、外周側に出口が形成されてもよい。冷媒流路９１５の断面形状は矩形に形成される。冷媒流路９１５の高さは、入口から出口に向けて漸次低くなる。その一方、冷媒流路９１５の幅は変化することはない。冷媒流路９１５の高さは、経路長ｓのｎ次の数式で表される。なお、渦巻き状の冷媒流路９１５の一巻きにおいて上流から下流に向けて漸次高さが低くなるようにし、一巻きと他の一巻きの冷媒流路９１５の繋ぎ目において高さが元の高さに戻るようにしてもよい。
【００３７】
冷媒流路１４５，９１５の断面積を上流から下流に向けて漸次減少させることにより、冷媒流路１４５，９１５に沿って抜熱量（熱移動量）を一定にすることができる。「冷媒流路の断面積を漸次減少させる」ことと「抜熱量（熱移動量）を一定にすることができる」ことの因果関係は以下のとおりである。
【００３８】
冷媒流路の壁面から冷媒に伝わる抜熱量（熱移動量）Ｑは、以下の式で表される。
（数１）
Ｑ＝ｈＡ（Ｔｗ−Ｔ０）
ただし、Ｑ：抜熱量，Ｗ
ｈ：熱伝達率，Ｗ／ｍ2Ｋ
Ａ：伝熱面積，ｍ2
Ｔｗ：壁面表面の温度，Ｋ
Ｔ０：冷媒の温度，Ｋ
【００３９】
冷媒の温度は熱交換によって上流から下流に向かって徐々に上昇していくので、冷媒流路に沿って抜熱量及び壁面温度を一定にするためには、上流から下流に向かって熱伝達率を上昇させなければならない。熱伝達率ｈは、以下の数式２で表される。
【００４０】
（数２）
ｈ＝Ｎｕｋ／Ｌ
ただし、Ｎｕ：ヌッセルト数
ｋ：流体の熱伝導率，Ｗ／ｍ2Ｋ
Ｌ：流路の長さ
【００４１】
流体の熱伝導率ｋ及び流路の長さＬは一定なので、ｈを増加させるためには、ヌッセルト数Ｎｕを増加させる必要がある。
【００４２】
ヌッセルト数Ｎｕは以下の数式３で表される。
【００４３】
（数３）
Ｎｕ＝０．６６４Ｒｅ1/2Ｐｒ1/3
Ｒｅ＝ＵＬ／ν
Ｐｒ：プラントル数
Ｕ：流速，ｍ／ｓ
ν：動粘性係数，ｍ2／ｓ
【００４４】
動粘性係数νは一定なので、流速Ｕを増加させることにより、ヌッセルト数Ｎｕを増加させることができる。冷媒流路の断面積を上流から下流に向かって漸次減少させると、流速が漸次増加する。このため、数式３からヌッセルト数Ｎｕが増加し、数式２から熱伝達率ｈが増加する。冷媒流路の断面積を上流から下流に向かって漸次減少させると、数式１の伝熱面積Ａも減少するが、伝熱面積Ａの減少率よりも熱伝達率ｈの増加率の方を大きくすることができる。この結果、数式１の抜熱量Ｑを一定に保つことが可能になる。
【００４５】
図７は、単位長さ当たりの抜熱量（抜熱線密度）を従来例と本発明例とで比較した計算結果を示す。従来例及び本発明例共に、冷媒流路の幅：８ｍｍ、冷媒流路の入口側高さ：９ｍｍ、アッパープレートの温度−冷媒温度＝２０℃、抜熱量２ｋＷの計算条件で比較した。
【００４６】
表１は、計算結果の主要諸元をまとめたものである。
【表１】
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【００４７】
表１に示すように、従来例のように冷媒流路の断面積を一定にすると、冷媒流路の入口と出口とで抜熱線密度が４割近く異なっていた。これに対し、冷媒流路の高さを減少させることにより、抜熱線密度の差異を４．６％（１次式）、０．７％（２次式）、０．１％（３次式）に低減できた。
【００４８】
次に、抜熱線密度の差異が流量の変化によってどのように影響されるか（抜熱線密度差異の流量依存性）を計算した。抜熱線密度の差異が最も少なかった３次式の計算条件を使用した。すなわち、冷媒流路の幅：８ｍｍ、冷媒流路の入口側高さ：９ｍｍ（下流に向かって３次式で高さ減少）、アッパープレートの温度−冷媒温度＝２０℃、抜熱量２ｋＷの条件で計算した。図８に計算結果を示し、表２に計算結果の主要諸元を記載する。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
温度分布は冷媒流量によって変動するが、抜熱線密度の差異は範囲内で２％程度に留まり、抜熱線密度の差異は冷媒流量にほとんど依存しないことがわかった。
【００５１】
表３は、抜熱線密度の差異が冷媒流路の構造によってどのように影響されるか（抜熱線密度の差異の冷媒流路構造依存性）を計算した結果を示す。
【００５２】
【表３】
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【００５３】
従来例のように冷媒流路を折り返すように二巻き形成しても、一巻きの場合よりも抜熱線密度の差異を３６．２％から７．４％，２４．４％に低減することができる。しかし、冷媒流路を折り返すのはスペースを必要とするし、抜熱線密度の差異を低減するのに限界もある。本発明例（傾斜型）のように、冷媒流路を折り返さなくても高さを変化させることにより、２％未満に低減することができる。
【００５４】
図９ないし図１１は、冷媒流路の高さを経路長の３次式にしたときの最適化を試みた結果を示す。図９に示すように、冷媒流路の高さは入口が１２ｍｍであり、出口に向かって３次式で減少する。溝幅は８ｍｍである。図１０に示すように、冷媒の流量１０．１Ｌ／ｍｉｎ、抜熱量２ｋＷとしたとき、抜熱線密度の差異（抜熱均一性）を±０．０６％以下にすることができた。図１１に示すように、冷媒の流量が２Ｌ／ｍｉｎ以下のときは抜熱均一性が若干劣るが、５Ｌ／ｍｉｎ以上にすることで、抜熱均一性を極めて小さくすることができた。
【００５５】
図１２は、アッパープレート１４０に第一及び第二の冷媒流路１４５ａ，１４５ｂからなる二経路の冷媒流路１４５を設けた例を示す。第一及び第二の冷媒流路１４５ａ，１４５ｂはアッパープレート１４０の上下方向に配列される。各冷媒流路１４５ａ，１４５ｂの入口及び出口は、方位角０度及び３６０度に配置される。図１３は、方位角と第一及び第二の冷媒流路１４５ａ，１４５ｂの高さとの関係を示す。第一及び第二の冷媒流路１４５ａ，１４５ｂの高さはいずれも、方位角が１８０度までは徐々に減少し、方位角が１８０度から３６０度までは徐々に増加するように設定される。第一及び第二の冷媒流路１４５ａ，１４５ｂの高さをこのように設定した理由は以下のとおりである。比較例の図１４に示すように、溝深さが一定の場合には、方位角１８０度のところが一番抜熱量が低くなり、１８０度を基準にほぼ左右対称となっている。方位角１８０度のところの抜熱率を改善するために、溝深さを浅くして流速を上げる訳である。また、およそ左右対称の溝深さ分布で十分な均熱性が得られる。
【００５６】
図１４は、冷媒流路１４５ａ，１４５ｂの高さを一定にしたときの比較例を示す。冷媒流路の高さ９ｍｍ、冷媒流路の幅６ｍｍ、冷媒の流量９Ｌ／ｍｉｎ、抜熱量２ｋＷにしたとき、抜熱均一性は±１．３％であった。これに対し、冷媒流路１４５ａ，１４５ｂの高さを調整することにより、図１５及び図１６に示すように、冷媒の流量が２Ｌ／ｍｉｎ以上のとき、抜熱均一性を±０．１％以下にすることができ、冷媒の流量が１Ｌ／ｍｉｎ以下のとき、抜熱均一性を±０．６％以下にすることができた。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、本発明の冷媒流路を下段シャワーに形成し、冷媒流路にアルゴンガス等の気体を流し、下段シャワーを冷却してもよい。
【００５８】
誘電体板の上面及び下面にめっき等により導電膜を一体に形成し、上面側の導電膜をマイクロ波を反射する導体板として使用し、下面側の導電膜をマイクロ波を透過させるスロット板として使用してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１００…処理容器
１０５…誘電体窓
１１５…載置台
１４０…アッパープレート（処理容器の側壁，冷却装置）
１４５…冷媒流路
１４５ａ…第一の冷媒流路
１４５ｂ…第二の冷媒流路
２１０…冷却板（冷却装置）
９０５…平面アンテナ（マイクロ波アンテナ，プラズマ励起手段）
９１０…上部カバー
９１５…冷媒流路
Ｕ…処理空間
Ｗ…ウェハ（被処理基板）
【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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【図６】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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