(57)【要約】  真空室内において多段階処理を受ける半導体基板を載せる基板サポートの再循環システムであって、前記システムは、少なくとも１つの液体流路をそのベースプレートに有する基板サポートと、前記流路と流体連通している入口および出口と、入口と流体連通している供給ラインと、出口と流体連通しているリターンラインと、を備え、前記供給ラインおよびリターンラインと流体連通して温度Ｔ1で液体を供給する第１の再循環装置と、前記供給ラインおよびリターンラインと流体連通して温度Ｔ1より少なくとも１０℃高い温度Ｔ2で液体を供給する第２の再循環装置と、前記入口および出口に接続されてＴ1より少なくとも１０℃低い温度Ｔpcで液体を供給する予冷ユニットと、前記入口および出口に接続されてＴ2より少なくとも１０℃高い温度Ｔphで液体を供給する予熱ユニットと、前記上記流路と第１の再循環装置、第２の再循環装置、予冷ユニット、または予熱ユニットとの間で液体を再循環させるため、前記再循環システムの弁を選択的に作動させるように機能するコントローラと、を備える。【選択図】図４
2013534716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体処理室内における処理の際に、多段階処理を受ける半導体基板を支持する基板サポートに対して温度制御された液体を供給するために有用な再循環システムを有するプラズマ処理システムであって、
前記基板サポートの入口に液体を送出するように構成されている供給ラインと、前記基板サポートは、前記基板サポートの表面上の温度ゾーンを所望の温度に維持する目的で液体を循環させる流路を有し、
前記液体が前記流路を循環した後に、前記基板サポートの出口からの液体を戻すように構成されているリターンラインと、
液体を温度Ｔ1で前記供給ラインに供給すると共に、前記リターンラインから液体を受け取るように機能する第１の再循環装置であって、前記供給ラインおよび前記リターンラインと流体連通している第１の再循環装置と、
液体を温度Ｔ1より少なくとも１０℃高い温度Ｔ2で前記供給ラインに供給すると共に、前記リターンラインから液体を受け取るように機能する第２の再循環装置であって、前記供給ラインおよび前記リターンラインと流体連通している第２の再循環装置と、
液体を温度Ｔ1より少なくとも１０℃低い温度Ｔpcで前記供給ラインに供給するように機能する予冷ユニットと、
液体を温度Ｔ2より少なくとも１０℃高い温度Ｔphで前記供給ラインに供給するように機能する予熱ユニットと、
電子的に作動する弁であって、前記第１の再循環装置または前記第２の再循環装置を前記供給ラインおよび前記リターンラインに接続することにより、または前記予冷ユニットおよび前記予熱ユニット内に、もしくはそれらを通して液体を循環させることにより、液体をＴ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで前記供給ラインに供給するように作動する弁と、を備えるプラズマ処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムはさらに、時間Δｔcの間、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通して液体をＴ1で導く直前に、時間Δｔpcの間、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通して液体をＴpcで導くように機能するコントローラを備え、これにより、前記多段階処理の一部の間に、時間Δｔcの間、前記基板サポートの温度ゾーンを温度Ｔ1に維持し、ΔｔpcはΔｔcの一部である、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記コントローラは、時間Δｔhの間、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通して液体をＴ2で導く直前に、時間Δｔphの間、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通して液体をＴphで導くように機能し、これにより、前記多段階処理の一部の間に、時間Δｔhの間、前記基板サポートの温度ゾーンを温度Ｔ2に維持し、ΔｔphはΔｔhの一部である、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムにおいて、
前記供給ラインは、第１の弁に接続されており、
前記リターンラインは、第２の弁に接続されており、
前記第１の弁は、前記第１の再循環装置の出口、前記予冷ユニットの出口、前記第２の再循環装置の出口、および前記予熱ユニットの出口と流体連通しており、
前記第２の弁は、前記第１の再循環装置の入口、前記予冷ユニットの入口、前記第２の再循環装置の入口、および前記予熱ユニットの入口と流体連通しており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通して液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで導くため、前記第１の弁および前記第２の弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、前記第１の再循環装置の入口、前記第２の再循環装置の入口、前記予熱ユニットの入口、および前記予冷ユニットの入口に接続されており、
前記第２の弁は、前記第１の再循環装置の出口、前記第２の再循環装置の出口、前記予熱ユニットの出口、および前記予冷ユニットの出口に接続されている、システム。
【請求項６】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、第１の三方切替弁であり、
前記第２の弁は、第２の三方切替弁であり、
前記第１の三方切替弁は、第３の三方切替弁および第４の三方切替弁に接続されており、
前記第２の三方切替弁は、第５の三方切替弁および第６の三方切替弁に接続されており、
前記第３の三方切替弁は、前記予冷ユニットの出口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
前記第５の三方切替弁は、前記予冷ユニットの入口、および前記第１の再循環装置の入口に接続されており、
前記第４の三方切替弁は、前記予熱ユニットの出口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
前記第６の三方切替弁は、前記予熱ユニットの入口、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
第１の弁付き分岐ラインが、前記予冷ユニットの出口と入口に接続されており、
第２の弁付き分岐ラインが、前記予熱ユニットの出口と入口に接続されており、
第３の弁付き分岐ラインが、前記第１の再循環装置の出口と入口に接続されており、
第４の弁付き分岐ラインが、前記第２の再循環装置の出口と入口に接続されており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１、第２、第３および第４の弁付き分岐ラインの弁並びに前記第１、第２、第３、第４、第５および第６の三方切替弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項７】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、第１の四方交差弁であり、
前記第２の弁は、第２の四方交差弁であり、
前記第１の四方交差弁は、前記第２の四方交差弁、第３の四方交差弁、および第５の四方交差弁に接続されており、
前記第２の四方交差弁は、第４の四方交差弁、および第６の四方交差弁に接続されており、
前記第３の四方交差弁は、前記第５の四方交差弁、前記予冷ユニットの出口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
前記第５の四方交差弁は、前記予冷ユニットの入口、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
前記第４の四方交差弁は、前記第６の四方交差弁、前記予熱ユニットの入口、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
前記第６の四方交差弁は、前記予熱ユニットの出口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６の四方交差弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項８】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、第１の三方切替弁であり、
前記第２の弁は、第２の三方切替弁であり、
前記第１の三方切替弁は、前記予冷ユニットの出口、第３の三方切替弁、前記予熱ユニットの出口、および第４の三方切替弁に接続されており、
前記第２の三方切替弁は、前記第１の再循環装置の入口、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
前記第３の三方切替弁は、前記予冷ユニットの入口と出口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
前記第４の三方切替弁は、前記予熱ユニットの入口と出口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１、第２、第３および第４の三方切替弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項９】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、第１の三方切替弁であり、
前記第２の弁は、第２の三方切替弁であり、
前記第１の三方切替弁は、第３の三方切替弁と第４の三方切替弁に接続されており、
前記第２の三方切替弁は、前記第１の再循環装置の入口、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
前記第３の三方切替弁は、前記予冷ユニットの出口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
前記第４の三方切替弁は、前記予熱ユニットの出口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
第１の二方弁が、前記予冷ユニットの入口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
第２の二方弁が、前記予熱ユニットの入口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
第１の弁付き分岐ラインが、前記第１の再循環装置の出口と入口に接続されており、
第２の弁付き分岐ラインが、前記第２の再循環装置の出口と入口に接続されており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１、第２、第３および第４の三方切替弁、前記第１および第２の二方弁、並びに前記第１および第２の弁付き分岐ラインの弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項１０】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、第１の三方切替弁であり、
前記第２の弁は、第２の三方切替弁であり、
前記第１の三方切替弁は、第３の三方切替弁と第４の三方切替弁に接続されており、
前記第２の三方切替弁は、前記第１の再循環装置の入口、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
前記第３の三方切替弁は、前記予冷ユニットの出口、および第５の三方切替弁に接続されており、
前記第５の三方切替弁は、前記予冷ユニットの入口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
前記第４の三方切替弁は、前記予熱ユニットの出口、および第６の三方切替弁に接続されており、
前記第６の三方切替弁は、前記予熱ユニットの入口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
オプションの第１の弁付き分岐ラインが、前記予冷ユニットの出口と入口に接続されており、
オプションの弁付き分岐ラインが、前記予熱ユニットの出口と入口に接続されており、
第３の弁付き分岐ラインが、前記第１の再循環装置の出口と入口に接続されており、
第４の弁付き分岐ラインが、前記第２の再循環装置の出口と入口に接続されており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１、第２、第３、第４、第５および第６の三方切替弁、並びに前記弁付き分岐ラインの弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項１１】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記第１の弁は、第１の四方交差弁であり、
前記第２の弁は、第２の四方交差弁であり、
前記第１の四方交差弁は、前記第２の四方交差弁、第３の四方交差弁、および前記第１の再循環装置の入口に接続されており、
前記第２の四方交差弁は、第４の四方交差弁、および前記第２の再循環装置の入口に接続されており、
前記第３の四方交差弁は、前記予冷ユニットの入口と出口、および前記第１の再循環装置の出口に接続されており、
前記第４の四方交差弁は、前記予熱ユニットの入口と出口、および前記第２の再循環装置の出口に接続されており、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１、第２、第３および第４の四方交差弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項１２】
請求項３に記載のシステムにおいて、
前記供給ラインは、第１の弁に接続されており、
前記リターンラインは、第２の弁に接続されており、
前記第１の弁は、前記第１の再循環装置の出口、および前記第２の再循環装置の出口と流体連通しており、前記第１の弁は、前記予熱ユニットまたは前記予冷ユニットと流体連通しておらず、
前記第２の弁は、前記第１の再循環装置の入口、および前記第２の再循環装置の入口と流体連通しており、前記第２の弁は、前記予熱ユニットまたは前記予冷ユニットと流体連通しておらず、
前記予冷ユニットは、液体を温度Ｔpcで第１の熱質量を通過させることにより温度Ｔpcの液体を供給し、前記第1の熱質量は、前記第１の再循環装置により供給される温度Ｔ1の前記液体が温度Ｔ1で流れるときに、前記液体をＴpcに冷却し、前記予冷ユニットからの温度Ｔpcの前記液体と前記第１の再循環装置からの温度Ｔ1の前記液体が混ざることはなく、
前記予熱ユニットは、液体を温度Ｔphで第２の熱質量を通過させることにより温度Ｔphに液体を供給し、前記第２の熱質量は、前記第２の再循環装置により供給される温度Ｔ2の液体が温度Ｔ2で供給される流れるときに、前記液体をＴphに加熱し、前記予熱ユニットからの温度Ｔphの前記液体と前記第２の再循環装置からの温度Ｔ2の前記液体が混ざることはなく、
前記コントローラは、前記供給ラインおよび前記リターンラインを通じて液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで誘導するため、前記第１および第２の弁を選択的に作動させるように機能する、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記基板サポートは、ヒータを備えておらず、
前記室内での多段階処理中に、前記基板サポートが一の工程で時間Δｔcの間、温度Ｔ1に維持され、さらに前記多段階処理の他の工程で時間Δｔhの間、温度Ｔ2に維持されるように、コントローラが、前記再循環システムの弁を作動させるように機能し、
前記コントローラは、さらに、液体をＴ2で供給する直前に、液体がＴphで前記流路に供給され、また、液体をＴ1で前記流路に供給する直前に、液体がＴpcで前記流路に供給されるように、前記再循環システムの弁を作動させるように機能する、システム。
【請求項１４】
半導体処理室内において多段階処理を受ける半導体基板を載せる基板サポートの温度を制御するための再循環システムの動作方法であって、
前記基板サポート上に半導体基板を支持することと、前記基板サポート内の流路に液体を循環させることにより、前記基板サポート上の温度ゾーンの温度を制御し、前記基板サポートは、前記流路と流体連通している入口および出口を有し、供給ラインが前記入口に流体連通しており、リターンラインが前記出口に流体連通していることと、
温度Ｔ1で液体を前記流路に供給することと、前記液体は前記供給ラインおよび前記リターンラインと流体連通している第１の再循環装置により温度Ｔ1で供給されることと、
温度Ｔ1より少なくとも１０℃高い温度Ｔ2で液体を前記流路に供給することと、前記液体は前記供給ラインおよび前記リターンラインと流体連通している第２の再循環装置により温度Ｔ2で供給されることと、
Ｔ1より少なくとも１０℃低い温度Ｔpcで液体を前記流路に供給することと、
Ｔ2より少なくとも１０℃高い温度Ｔphで液体を前記流路に供給することと、を備え、
温度Ｔ1で前記液体を供給する直前に、温度Ｔpcで前記液体が供給され、
温度Ｔ2で前記液体を供給する直前に、温度Ｔphで前記液体が供給される、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、温度Ｔpcの液体または温度Ｔphの液体が前記流路に供給される際には、前記基板サポートの前記温度ゾーンの温度が少なくとも１℃／秒の初期速度で変化するように、温度Ｔpcの液体または温度Ｔphの液体を循環させる、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法において、前記温度ゾーンの温度が、温度Ｔ1または温度Ｔ2をオーバシュートすることがないように、温度Ｔpcの液体または温度Ｔphの液体を循環させる、方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法において、温度変化を迅速に達成して、前記多段階処理の一部の間に、時間Δｔcの間、前記温度ゾーンを温度Ｔ1に維持するために、コントローラが前記再循環システム内の弁を作動させて液体をＴ1で供給する直前に、時間Δｔpcの間、液体をＴpcで供給し、および／または、温度変化を迅速に達成して、前記多段階処理の一部の間に、時間Δｔhの間、前記温度ゾーンを温度Ｔ2に維持するために、前記コントローラが前記再循環システム内の弁を作動させて液体をＴ2で供給する直前に、時間Δｔphの間、液体をＴphで供給し、ΔｔpcはΔｔcの一部の割合であり、ΔｔphはΔｔhの一部の割合である、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法において、前記温度ゾーンの温度がＴ1まで２℃の範囲内であるときに、前記コントローラは弁を作動させてＴpcでの液体の供給をＴ1での液体の供給に切り替え、および／または、前記温度ゾーンの温度がＴ2まで２℃の範囲内であるときに、前記コントローラが弁を作動させてＴphでの液体の供給をＴ2での液体の供給に切り替える、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法において、
前記供給ラインは、第１の弁に接続されており、
前記リターンラインは、第２の弁に接続されており、
前記第１の弁は、前記第１の再循環装置の出口、温度Ｔpcで液体を供給する予冷ユニットの出口、前記第２の再循環装置の出口、および温度Ｔphで液体を供給する予熱ユニットの出口と流体連通しており、
前記第２の弁は、前記第１の再循環装置の入口、前記予冷ユニットの入口、前記第２の再循環装置の入口、および前記予熱ユニットの入口と流体連通しており、
前記方法は、前記第１の弁および前記第２の弁を選択的に作動させることにより、液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで前記流路に誘導することを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法において、
前記供給ラインは、第１の弁に接続されており、
前記リターンラインは、第２の弁に接続されており、
前記第１の弁は、前記第１の再循環装置の出口、および前記第２の再循環装置の出口と流体連通しており、前記第１の弁は、予冷ユニットと流体連通しておらず、
前記第２の弁は、前記第１の再循環装置の入口、および前記第２の再循環装置の入口と流体連通しており、前記第２の弁は、予熱ユニットと流体連通しておらず、
前記予冷ユニットは、液体を温度Ｔpcで第１の熱質量を通過させることにより温度Ｔpcの液体を供給し、前記第１の熱質量は、前記第１の再循環装置により供給される温度Ｔ1の前記液体が温度Ｔ1で流れるときに、前記液体をＴpcに冷却し、前記予冷ユニットからの温度Ｔpcの前記液体と前記第１の再循環装置からの温度Ｔ1の前記液体が混ざることはなく、
前記予熱ユニットは、液体を温度Ｔphで第２の熱質量を通過させることにより温度Ｔphの液体を供給し、前記第２の熱質量は、前記第２の再循環装置により供給される温度Ｔ2の前記液体が温度Ｔ2で流れるときに、前記液体をＴphに加熱し、前記予熱ユニットからの温度Ｔphの前記液体と前記第２の再循環装置からの温度Ｔ2の前記液体が混ざることはなく、
前記方法は、前記第１の弁および前記第２の弁を選択的に作動させることにより、液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで前記流路に誘導することを含む、方法。
【請求項２１】
請求項１４に記載の方法において、
前記供給ラインは、第１の弁に接続されており、
前記リターンラインは、第２の弁に接続されており、
前記第１の弁は、前記第１の再循環装置の出口、および前記第２の再循環装置の出口と流体連通しており、前記第１の弁は、予冷ユニットと流体連通しておらず、
前記第２の弁は、前記第１の再循環装置の入口、および前記第２の再循環装置の入口と流体連通しており、前記第２の弁は、予熱ユニットと流体連通しておらず、
前記予冷ユニットは、液体を温度Ｔpcで第１の熱質量を通過させることにより温度Ｔpcの液体を供給し、前記第１の熱質量は、前記第１の再循環装置により供給される温度Ｔ1の前記液体が温度Ｔ1で流れるときに、前記液体をＴpcに冷却し、前記予冷ユニットからの温度Ｔpcの前記液体と前記第１の再循環装置からの温度Ｔ1の前記液体が混ざることはなく、
前記予熱ユニットは、液体を温度Ｔphで第２の熱質量を通過させることにより温度Ｔphの液体を供給し、前記第２の熱質量は、前記第２の再循環装置により供給される温度Ｔ2の前記液体が温度Ｔ2で流れるときに、前記液体をＴphに加熱し、前記予熱ユニットからの温度Ｔphの前記液体と前記第２の再循環装置からの温度Ｔ2の前記液体が混ざることはなく、
前記方法は、前記第１の弁および前記第２の弁を選択的に作動させることにより、液体を温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで前記流路に誘導することを含む、方法。
【請求項２２】
請求項１４に記載の方法はさらに、前記基板サポートに高周波電力を供給することにより前記半導体基板にＲＦバイアスを印加することと、処理ガスを励起させてプラズマ状態にすることと、前記半導体基板上の材料の層の中にプラズマエッチングにより開口部を形成することとを備え、前記開口部のエッチングは、液体をＴ1で前記流路に供給しながら第１の時間Δｔcの間、さらに液体をＴ2で前記流路に供給しながら第２の時間Δｔhの間、実施される、方法。
【請求項２３】
請求項１４に記載の方法において、前記基板サポートは電気ヒータを備えておらず、Δｔhは５０〜２００秒であり、Δｔcは５０〜２００秒であり、Ｔ1は−１０℃〜５０℃であり、Ｔ2は３０℃〜１１０℃である、方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法において、前記基板サポートは電気ヒータを備えておらず、前記基板サポートは前記半導体基板にＲＦバイアスを印加し、Δｔhは５０〜２００秒であり、Δｔcは５０〜２００秒であり、Ｔ1は−１０℃〜５０℃であり、Ｔ2は３０℃〜１１０℃である、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体技術世代を重ねるごとに、ウェハの直径は大きくなり、トランジスタサイズは小さくなる傾向にあり、その結果、ウェハ処理において、ますます高い精度および再現性が必要とされるようになる。シリコンウェハなどの半導体基板材料は、真空チャンバの使用を含む技術によって処理される。これらの技術には、電子ビーム蒸着といった非プラズマ応用だけではなく、スパッタリング蒸着、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、レジスト除去、およびプラズマエッチングといったプラズマ応用が含まれる。
【０００２】
プラズマ処理システムの合格評価基準には、スループットと基板温度安定性が含まれる。基板温度は、基板上に作製されるデバイスの限界寸法に影響を与えるので、例えば処理方法のある工程内で安定した基板温度が要求されるときに、基板温度の大きなドリフトがあってはならない。一方、最適な基板温度は、処理方法の様々に異なる処理工程では大きく異なり得る。基板温度の変化速度は、スループットに直接影響する。従って、処理工程内で安定した基板温度を維持しながら、処理工程間で基板温度を迅速に変化させる能力が望まれる。電気ベースの加熱手法は、プラズマ処理システムで使用される高周波エネルギーとの両立性が要求されるので、電気ヒータ用の電源および制御システムを保護するために特別仕様のフィルタリングを必要となり、複雑となる。また、電力接続に関する設計と実装の課題も存在する。さらには、熱均一性を最適化するためのヒータ配置に関する課題が重大となり得る。
【発明の概要】
【０００３】
真空室内において多段階処理を受ける半導体基板を載せる基板サポートの再循環システムであって、このシステムは、少なくとも１つの液体流路をそのベースプレートに有する基板サポートと、前記流路と流体連通している入口および出口と、前記入口と流体連通している供給ラインと、前記出口と流体連通しているリターンラインと、を備え、前記供給ラインおよびリターンラインに温度Ｔ1で液体を供給する第１の再循環装置であって、前記供給ラインおよびリターンラインと流体連通している第１の再循環装置と、前記供給ラインおよびリターンラインに温度Ｔ1より少なくとも１０℃高い温度Ｔ2で液体を供給する第２の再循環装置であって、前記供給ラインおよびリターンラインと流体連通している第２の再循環装置と、前記供給ラインおよびリターンラインにＴ1より少なくとも１０℃低い温度Ｔpcで液体を供給する予冷ユニットと、前記供給ラインおよびリターンラインにＴ2より少なくとも１０℃高い温度Ｔphで液体を供給する予熱ユニットと、前記第１の再循環装置、第２の再循環装置、予冷ユニット、または予熱ユニットにより温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、またはＴphで供給される液体を前記供給ラインおよびリターンラインを通して誘導するため、この再循環システムの弁を選択的に作動させるように機能するコントローラと、を備える。
【０００４】
真空室内において多段階処理を受ける半導体基板を載せる基板サポートの再循環システムの動作方法であって、この方法は、少なくとも１つの液体流路をそのベースプレートに有する基板サポートと、前記流路と流体連通している入口および出口と、前記入口と流体連通している供給ラインと、前記出口と流体連通しているリターンラインとに、液体を循環させることを含み、この方法は、温度Ｔ1で液体を前記流路に供給し、前記温度Ｔ1の液体は供給ラインおよびリターンラインと流体連通している第１の再循環装置によって供給され、温度Ｔ1より少なくとも１０℃高い温度Ｔ2で液体を前記流路に供給し、前記温度Ｔ2の液体は供給ラインおよびリターンラインと流体連通している第２の再循環装置によって供給され、Ｔ1より少なくとも１０℃低い温度Ｔpcで液体を前記流路に供給することと、Ｔ2より少なくとも１０℃高い温度Ｔphで液体を前記尾流路に供給することと、を含み、温度Ｔ1で前記液体を供給する直前に、温度Ｔpcで上記液体が供給され、温度Ｔ2で前記液体を供給する直前に、温度Ｔphで上記液体が供給される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】従来技術による温度制御システムを示す図である。
【図２】別の従来技術による温度制御システムを示す図である。
【図３】図２に示す基板サポートおよび温度制御システムについての、温度‐時間グラフである。
【図４】本明細書に記載の実施形態による基板サポートおよび温度制御システムについての、温度‐時間グラフである。
【図５Ａ】本明細書に記載の実施形態による温度制御システムにおいて、様々に異なる温度で流体を供給する４つの温度制御流体源と基板サポートとの間の流体接続を示す図である。
【図５Ｂ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図５Ｃ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図６Ａ】本明細書に記載の実施形態による温度制御システムにおいて、様々に異なる温度で流体を供給する４つの温度制御流体源と基板サポートとの間の流体接続を示す図である。
【図６Ｂ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図６Ｃ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図６Ｄ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図６Ｅ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図６Ｆ】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図７Ａ】四方交差弁の２つの状態の概略図である。
【図７Ｂ】四方交差弁の２つの状態の概略図である。
【図７Ｃ】三方切替弁の２つの状態の概略図である。
【図７Ｄ】三方切替弁の２つの状態の概略図である。
【図７Ｅ】二方弁の２つの状態の概略図である。
【図７Ｆ】二方弁の２つの状態の概略図である。
【図８】一実施形態による温度制御システムを示す図である。
【図９】例示的な多段階処理についての実際の試験データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書において開示するのは、プラズマ室で処理される基板を載せる基板サポートに組み込まれた１つ以上の流路を通して、温度制御された液体（例えば、誘電性流体のフロリナート（登録商標））を循環させることにより、プラズマ処理システムにおいて基板温度を迅速に変化させることができる再循環システムである。流路（複数の場合もある）は、単一または複数ゾーンの温度制御を提供するように配置することができ、例えば、流路によって、基板サポートの基板支持面全体、または基板サポート１００の基板支持面の中央ゾーンもしくは外側環状ゾーンなどの単一ゾーン（温度ゾーン）の温度制御を実施することができる。好ましくは、基板の温度は、流路を循環する液体によってのみ制御され、すなわち、基板サポートは、好ましくは電気ヒータを備えず、これによって、電気ヒータの高周波（ＲＦ）出力制御回路の連成など、それに伴う問題を回避している。基板サポートは、好ましくは、ヘリウムなどの伝熱ガスを供給するための構成を基板の下に備え、これにより、基板と基板サポートとの間の熱伝導を向上させており、また、基板サポートは、基板にＲＦバイアスをかけるための、または室内でプラズマを発生させるための、高周波（ＲＦ）電流が供給される接地電極または電源電極とすることができる。
【０００７】
図１は、従来技術におけるシステムを示しており、このシステムでは、基板サポート１００と、一定温度に維持される大型の流体槽を備えた再循環装置１１０などの温度制御ユニットとの間で液体を循環させる。再循環装置１１０からの標準的な流量は、約４ガロン（１５．１４リットル）／分である。この手法は、大型流体槽の大きな熱容量によって、安定した流体温度の維持には非常に効果的である、プラズマエッチングの際など、基板温度の急速な変化が要求される多段階処理の際に、流体温度の変化が遅いという点で望ましくない。
【０００８】
２つの異なる処理工程での２つの異なる基板温度の維持およびそれらの間の切り替えのための従来の手法は、図２に示すように、再循環装置２１０および２２０のような２つの温度制御ユニットを基板サポート１００に接続することを含んでいる。再循環装置の各々は、大型の流体（液体）槽を、処理工程の１つで必要とされる温度に維持している。２つの弁２６１と２６２は協働して、基板サポート１００を通って流れる流体を２つの再循環装置２１０と２２０の間で切り換えるように構成されている。時間とともに再循環装置２１０と２２０で液位差が生じる可能性があり、その均等化が必要になり得る。
【０００９】
基板サポート内での温度勾配が小さく、基板サポートの伝熱応答が実質的あるいは完全に一様であるプラズマ処理システムの場合には、基板サポートは、集中熱容量モデルを用いて記述することができる。このモデルでは、基板サポートは、基板サポートを循環する流体とすることができる温度源に並列接続された熱容量および熱抵抗として記述することができる。基板サポートの温度（Ｔsub）は、つぎの微分方程式で与えられる。
【００１０】
【数１】
2013534716.tif 000003
【００１１】
ここで、ｔは時間、Ｃは基板サポートの熱容量、Ｒは温度源（例えば、循環流体）と基板サポートとの間の熱抵抗、Ｔ0は温度制御された流体源の温度である。温度源と基板サポートとの間の熱抵抗は、Ｒ＝１／ｈＡであり、ここで、ｈは伝熱係数、Ａは伝熱表面積である。基板サポートの熱容量は、Ｃ＝ρｃＶであり、ここで、ρは基板サポートの密度、ｃは比熱、Ｖは体積である。
【００１２】
図２は、２つの（例えば、冷液と温液の）再循環装置を備える従来技術によるシステムを示しており、図３は、基板サポートおよび基板サポートに循環する液体の代表的な温度プロファイルを示している。ただし、図３は、ウェハのプラズマ加熱を考慮しておらず、例えば、プラズマエッチング中のウェハは、基板サポート温度よりも５０〜８０℃熱い場合がある。トレース３２０は、基板サポート１００内に流れる流体温度Ｔ0を時間の関数として示しており、トレース３１０は、流体温度に応じたＴsubを時間の関数として示している。時刻ｔ1より前には、弁２６１および２６２は、冷液再循環装置２１０からの流体が基板サポート１００内を通るように誘導する。再循環装置２１０は槽温度をＴ1に維持している。時刻ｔ1には、弁２６１および２６２は、再循環装置２１０からの流体の流れが遮断され、温液再循環装置２２０からの温度Ｔ2の流体が基板サポート１００内を通るように誘導する。再循環装置２２０はＴ1より高い槽温度Ｔ2を維持している。時刻ｔ2には、弁２６１および２６２は、再循環装置２２０からの流体の流れが遮断され、再び再循環装置２１０からの流体が基板サポート１００内を通るように誘導する。Ｔ1は、時刻ｔ1の前および時刻ｔ2の後に、処理工程により要求される基板サポート温度である。Ｔ2は、時刻ｔ1からｔ2の間に、処理工程により要求される基板サポート温度である。
【００１３】
簡単化するため、時刻ｔ1より前のＴsubはＴ1であると仮定する。時間の関数としてのＴsubは、数１から推定されて、トレース３１０としてプロットされる。時刻ｔ1とｔ2での再循環装置２１０と２２０の間の流体の急激な切り替えのときには、Ｔsubは、時定数τ1＝ＲＣで指数関数的変化を示す。時定数τ1は、急激な流体温度の変化に応じてＴsubがどのくらいの速さで変化するかの尺度である。基板サポート温度は、処理工程の開始が可能となる前に安定化されなければならないので、時定数τ1は、プラズマ処理システムのスループットに影響する。時定数τ1が処理工程の標準的な持続時間と同程度になると、時定数τ1がスループットに与える影響は顕著になる。従って、時定数τ1を最小化することが望ましい。
【００１４】
本明細書に記載するような再循環システムおよび再循環システムを用いる方法では、要求される基板サポート温度よりも高いまたは低い温度で過渡的に基板サポート１００を通って流れる流体によって、基板サポート１００への、またはそこからの伝熱を速めることにより、時定数を小さくしている。図４におけるトレース４２０は、基板サポート１００内を流れる流体の温度を時間の関数として示しており、トレース４１０は、Ｔsubを時間の関数として示している。時刻ｔ3より前には、温度Ｔ1の第１の流体が基板サポート１００を通じて流される。時刻ｔ3で、第１の流体は遮断されて、Ｔ2よりも高い温度Ｔphの予熱流体が基板サポート１００を通じて流される。ＴsubがＴ2の所定の許容範囲内（例えば、２℃の範囲内、好ましくは１℃の範囲内、より好ましくは０．５℃の範囲内）にある時刻ｔ4において、予熱流体は遮断されて、温度Ｔ2の第２の流体が基板サポート１００を通じて流される。同様に、時刻ｔ5で、第２の流体は遮断されて、Ｔ1よりも低い温度Ｔpcの予冷流体が基板サポート１００を通じて流される。基板１００の温度がＴ1の所定の許容範囲内（例えば、２℃の範囲内、好ましくは１℃の範囲内、より好ましくは０．５℃の範囲内）にある時刻ｔ6において、予冷流体は遮断されて、再び第１の流体が基板サポート１００を通じて流される。Ｔ1は、時刻ｔ3の前および時刻ｔ6の後に処理工程により要求される基板サポート温度である。Ｔ2は、時刻ｔ4からｔ5の間に処理工程により要求される基板サポート温度である。この再循環システムおよび再循環システムを用いる方法の１つの利点は、Ｔsubが、目立ったオーバシュートなく、より速く目標基板サポート温度に達することである。
【００１５】
簡単化するため、時刻ｔ3より前のＴsubはＴ1であると仮定する。時間の関数としてのＴsubは、数１から推定されて、トレース４１０としてプロットされる。図３におけるトレース３１０と同様に、Ｔsubは、時刻ｔ3およびｔ5の後に、時定数τ2で指数関数的変化を示し、このときτ2はτ1より小さい。この短縮された時定数によって、プラズマ処理システムにおけるスループットは向上する。Ｔphは、好ましくはＴ2より少なくとも１０℃高く、より好ましく少なくとも３０℃高い。Ｔpcは、好ましくはＴ１より少なくとも１０℃低く、より好ましくは少なくとも３０℃低い。ｔ4とｔ3の差（Δｔph）は、ｔ4からｔ5までの時間（Δｔh）の一部の割合である。例えば、Δｔhは５０〜２００秒とすることができ、Δｔphは最大でΔｔhの５０％、３０％、または１０％とすることができる。Δｔphは、好ましくは６０秒を超えず、例えば、最大で４０秒まで、２０秒まで、１０秒まで、または５秒まで、である。ｔ6とｔ5の差（Δｔpc）は、ｔ6から次の予熱流体が基板サポート１００を通って流れ始める時点までの時間（Δｔc）の一部の割合である。例えば、Δｔcは５０〜２００秒とすることができ、ΔｔpcはΔｔhの５０％未満、３０％、未満または１０％未満とすることができる。Δｔcは、好ましくは６０秒を超えず、例えば、４０秒未満、最大で２０秒まで、１０秒まで、または５秒まで、である。Ｔ1は、好ましくは−１０℃〜５０℃、より好ましくは１０℃〜５０℃である。Ｔ2は、好ましくは３０℃〜１１０℃、より好ましくは７０℃〜１１０℃である。Ｔ2は、好ましくはＴ1より少なくとも１０℃高く、例えば、Ｔ1より少なくとも２０℃、少なくとも３０℃、少なくとも４０℃、または少なくとも５０℃高い。τ2の時間の間でのＴsubの変化速度は、好ましくは、少なくとも１℃／秒である。Ｔsubが交互の工程でＴ1とＴ2に、各工程で最大５０秒、維持されるべきである典型例の処理では、τ1は最大で５０秒、τ2は最大で２５秒であり、本明細書の一実施形態による再循環システムによって、スループットを約３３％向上させることができる。
【００１６】
予熱液体、予冷液体、第１の液体、および第２の液体の流量は、一定とするか、または変化させることができ、例えば、同一の流量または異なる流量とすることができる。典型例となる流量は、最大で３０リットル毎分であり、例えば約１８リットル毎分である。
【００１７】
以下で説明するのは、図４に示す手法の実施についてであり、そこでは、独立温度制御ユニット（プレチャージ加熱ユニット、すなわちＰＲＥＨ）、および別の独立温度制御ユニット（プレチャージ冷却ユニット、すなわちＰＲＥＣ）が採用される。
【００１８】
第１の実施形態では、再循環装置がＰＲＥＨとして用いられ、別の再循環装置がＰＲＥＣとして用いられ、これらと主再循環装置との併用によって、流体を４つの温度（Ｔ1，Ｔ2，Ｔpc，Ｔph）のいずれかで循環させることができる。図５Ａに示すように、５１０は槽温度Ｔ1の主再循環装置であり、５３０は槽温度ＴpcのＰＲＥＣであり、５２０は、Ｔ1より少なくとも１０℃、少なくとも２０℃、少なくとも３０℃、少なくとも４０℃、少なくとも５０℃、少なくとも６０℃高い、またはさらに高い槽温度Ｔ2の主再循環装置であり、５４０は槽温度ＴphのＰＲＥＨである。弁装置５６１と５６２は、自動的な作動により協働して、再循環装置の１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。図５Ａは、再循環装置５１０〜５４０を基板サポート１００に接続する、コントローラ５９０と弁装置５６１および５６２との論理的な接続を示す簡略図であり、実装の詳細は示していない。ＰＲＥＣは、好ましくは、再循環装置５１０により循環する流体の温度Ｔ1より少なくとも１０℃、少なくとも２０℃、少なくとも３０℃、少なくとも４０℃、少なくとも５０℃、少なくとも６０℃低い、またはさらに低い温度Ｔpcで流体（液体）を冷却する。ＰＲＥＨは、好ましくは、再循環装置５２０により循環する流体の温度Ｔ2より少なくとも１０℃、少なくとも２０℃、少なくとも３０℃、少なくとも４０℃、少なくとも５０℃、少なくとも６０℃高い、またはさらに高い温度Ｔphで流体を加熱する。
【００１９】
図５Ａの実施形態では、流体がＴpcで再循環装置５３０から、ライン５１１、弁５６１、ライン５１２、基板サポート１００、ライン５１３、弁５６２、ライン５１４を通って再循環装置５３０に戻るように流れる。再循環装置５１０からのＴ1の流体に切り替えるために、弁５６１、５６２はライン５１５、５１６に接続され、これにより、流体は再循環装置５１０からライン５１５、弁５６１、ライン５１２を通って、基板サポート１００、ライン５１３、弁５６２、ライン５１６を通り、再循環装置５１０に戻るように流れる。Ｔphの流体に切り替えるために、弁５６１、５６２はライン５１７、５１８に接続され、これにより、流体は再循環装置５４０からライン５１７、弁５６１、ライン５１２、基板サポート１００、ライン５１３、弁５６２、ライン５１８を通って再循環装置５４０に戻るように流れる。流体をＴ2で循環させるために、弁５６１、５６２はライン５１８ａ、５１９に接続され、並びに、再循環装置５２０からの流体はライン５１８ａ、弁５６１、ライン５１２、基板サポート１００、ライン５１３、弁５６２、ライン５１９を通って再循環装置５２０に戻る。コントローラ５９０は、弁５６１および５６２を作動させる。
【００２０】
図５Ｂは、第１の実施形態の一実施例を示しており、この場合、複数の三方切替弁５７１〜５７６が協働して、再循環装置の１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。図７Ｃおよび７Ｄに示すように、三方切替弁７３０は、共通路７３５と、第１の分岐路７３１と、第２の分岐路７３２とを有する。三方切替弁７３０は、共通路７３５と第１の分岐路７３１との間、または共通路７３５と第２の分岐路７３２との間の流体連通を確立するように作動する。使用可能な三方切替弁には、スウェージロック（Ｓｗａｇｅｌｏｋ）社の４０シリーズおよび４０Ｇシリーズのバルブが含まれる。三方切替弁７３０は、電子的に作動させることができる。
【００２１】
図４および図５Ｂを参照して、時刻ｔ3より前には、流体がＴ1で再循環装置５１０から、順にライン５２１、弁５７５、ライン５２２、弁５７１、ライン５２３、基板サポート１００、ライン５２４、弁５７２、ライン５２５、弁５７３、ライン５２６を通って再循環装置５１０に戻るように流れる。時刻ｔ3からｔ4の間には、流体がＴphで再循環装置５４０から、順にライン５４１、弁５７６、ライン５４２、弁５７１、ライン５２３、基板サポート１００、ライン５２４、弁５７２、ライン５４３、弁５７４、ライン５４４を通って再循環装置５４０に戻るように流れる。時刻ｔ4からｔ5の間には、流体がＴ2で再循環装置５２０から、順にライン５４５、弁５７６、ライン５４２、弁５７１、ライン５２３、基板サポート１００、ライン５２４、弁５７２、ライン５４３、弁５７４、ライン５４６を通って再循環装置５２０に戻るように流れる。時刻ｔ5からｔ6の間には、流体がＴpcで再循環装置５３０から、順にライン５４７、弁５７５、ライン５２２、弁５７１、ライン５２３、基板サポート１００、ライン５２４、弁５７２、ライン５２５、弁５７３、ライン５４８を通って再循環装置５３０に戻るように流れる。時刻ｔ6の後の流れパターンは、時刻ｔ3の前と同様である。二方弁５７７、５７９、５７８、５８０が、それぞれ再循環装置５３０、５１０、５４０、５２０の入口と出口に通じる分岐ラインの間に接続されている。コントローラ５９１は、弁５７１〜５８０を作動させる。
【００２２】
図７Ｅおよび図７Ｆに示すように、二方弁７２０は、２つの流路７２１と７２２を有し、この２つの流路７２１と７２２の間の流体連通を確立または解消するように作動する。典型例となる二方弁の詳細は、スウェージロック社の４０シリーズおよび４０Ｇシリーズのカタログに掲載されている。三方切替弁７２０は、電子的に作動させることができる。これらの二方弁は、それぞれの再循環装置から流体が基板サポート１００内に流れていないときにのみ、開くように作動して、それぞれの再循環装置内の流体が循環することを可能にする。
【００２３】
図５Ｃは、第１の実施形態の他の構成を示しており、この場合、複数の四方交差弁５８１〜５８６が協働して、再循環装置の１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。図７Ａおよび７Ｂに示すように、四方交差弁７４０は、第１の流路７４１と、第２の流路７４２と、第３の流路７４３と、第４の流路７４４と、を有する。四方交差弁７４０は、図７Ｂに示すように第１と第２の流路７４１と７４２の間および第３と第４の流路７４３と７４４の間に、または図７Ａに示すように第１と第４の流路７４１と７４４の間および第２と第３の流路７４２と７４３の間に、流体連通を確立するように作動する。典型例となる四方交差弁の詳細は、スウェージロック社の４０シリーズおよび４０Ｇシリーズのカタログに掲載されている。四方交差弁７４０は、電子的に作動させることができる。
【００２４】
図４および図５Ｃを参照して、時刻ｔ3より前には、流体がＴ1で再循環装置５１０から、順にライン５５１、弁５８３、ライン５５２、弁５８１、ライン５５３、基板サポート１００、ライン５５４、弁５８２、ライン５６８、弁５８１、ライン５５５、弁５８５、ライン５５６を通って再循環装置５１０に戻るように流れる。同時に、他の再循環装置は待機モードに維持することができ、これによって、再循環装置５３０からの流体はライン５５７、弁５８３、ライン５５８、弁５８５、ライン５５９を通って再循環装置５３０に戻るように循環し、再循環装置５４０からの流体はライン５６１、弁５８６、ライン５６２、弁５８２、ライン５６３、弁５８４、ライン５６４を通って再循環装置５４０に戻るように循環し、再循環装置５２０からの流体はライン５６５、弁５８６、ライン５６６、弁５８４、ライン５６７を通って再循環装置５４０に戻るように循環する。
【００２５】
時刻ｔ3からｔ4の間には、流体がＴphで再循環装置５４０から、順にライン５６１、弁５８６、ライン５６２、弁５８２、ライン５６８、弁５８１、ライン５５３、基板サポート１００、ライン５５４、弁５８２、ライン５６３、弁５８４、ライン５６４を通って再循環装置５４０に戻るように流れる。同時に、再循環装置５３０からの流体はライン５５７、弁５８３、ライン５５２、弁５８１、ライン５５５、弁５８５、ライン５５９を通って再循環装置５３０に戻るように循環し、再循環装置５１０からの流体はライン５５１、弁５８３、ライン５５８、弁５８５、ライン５５６を通って再循環装置５１０に戻るように循環し、再循環装置５２０からの流体はライン５６５、弁５８６、ライン５６６、弁５８４、ライン５６７を通って再循環装置５２０に戻るように循環する。
【００２６】
時刻ｔ4からｔ5の間には、流体がＴ2で再循環装置５２０から、順にライン５６５、弁５８６、ライン５６２、弁５８２、ライン５６８、弁５８１、ライン５５３、基板サポート１００、ライン５５４、弁５８２、ライン５６３、弁５８４、ライン５６７を通って再循環装置５２０に戻るように流れる。同時に、再循環装置５３０からの流体はライン５５７、５５８、５５９および弁５８３、５８５を通って循環し、再循環装置５１０からの流体はライン５５１、５５２、５５５、５５６および弁５８３、５８１、５８５を通って循環し、再循環装置５４０からの流体はライン５６１、弁５８６、ライン５６６、弁５８４、ライン５６４を通って再循環装置５４０に戻るように循環する。
【００２７】
時刻ｔ5からｔ6の間には、流体がＴpcで再循環装置５３０から、順にライン５５７、弁５８３、ライン５５２、弁５８１、ライン５５３、基板サポート１００、ライン５５４、弁５８２、ライン５６８、弁５８１、ライン５５５、弁５８５、ライン５５９を通って再循環装置５３０に戻るように流れる。同時に、再循環装置５１０からの流体は、ライン５５１、弁５８３、ライン５５８、弁５８５、ライン５５６を通って再循環装置５１０に戻るように循環し、再循環装置５４０からの流体はライン５６１、弁５８６、ライン５６２、弁５８２、ライン５６３、弁５８４、ライン５６４を通って再循環装置５４０に戻るように循環し、再循環装置５２０からの流体はライン５６５、弁５８６、ライン５６６、弁５８４、ライン５６７を通って再循環装置５２０に戻るように循環する。時刻ｔ6の後の流れパターンは、時刻ｔ3の前と同様である。コントローラ５９２は、弁５８１〜５８６を作動させる。
【００２８】
図５Ｃに示す実施形態は、循環システム全体の流体が常に流動し（すなわち、デッドボリュームがなく）、４つの温度Ｔ1、Ｔ2、Ｔpc、Ｔphのいずれの流体でも速やかに基板サポートに供給することができるという利点がある。
【００２９】
第２の実施形態では、２つのオンライン加熱冷却ユニットを、ＰＲＥＨおよびＰＲＥＣとして使用する。オンライン・ユニットは、小さな内部容積を有し、独立のエネルギー源でサポートされる単純な熱質量として記述することができる。オンライン・ユニットの固有熱容量は、流体がオンライン・ユニットを通過するときにＴ1、Ｔ2、Ｔpc、Ｔphの間で流体温度を変化させるのに十分な大きさである。オンライン・ユニットは、Ｎｏａｈ ＰｒｅｃｉｓｉｏｎのＰＯＵ ３３００／３５００、Ｋｏｍａｔｓｕ ＦＲＶ‐６０００、またはいずれかの適当な同等のものとすることができる。図６Ａに示すように、６１０は、低い槽温度Ｔ1の主再循環装置であり、オンライン冷却ユニット６３０は、主再循環装置６１０からオンライン・ユニット６３０を通って流れる流体を温度Ｔpcに冷却することによりＰＲＥＣとして機能し、６２０は、高い槽温度Ｔ2の主再循環装置であり、オンライン加熱装置６４０は、主再循環装置６２０からオンライン・ユニット６４０を通って流れる流体を温度Ｔphに加熱することによりＰＲＥＨとして機能する。弁６６３は、主再循環装置６１０からライン６１１を通過する流体を誘導するように作動することで、オンライン・ユニット６３０を迂回または通過させて、ライン６１２、弁６６１、ライン６１３、基板サポート１００、ライン６１４、弁６６２、ライン６１５を通って再循環装置６１０に戻るようにする。弁６６４は、主再循環装置６２０からライン６１６を通過する流体を誘導するように作動することで、オンライン・ユニット６４０を迂回または通過させて、ライン６１７、弁６６１、ライン６１３、基板サポート１００、ライン６１４、弁６６２、ライン６１８を通って再循環装置６２０に戻るようにする。弁６６１および６６２は協働して、再循環装置６１０、６２０の１つまたはオンライン・ユニット６３０、６４０の１つからの流体を、基板サポート１００内に誘導する。図６Ａは、再循環装置、オンライン・ユニット、基板サポート１００の間の論理的な接続を示す簡略図であり、実装の全詳細は示していない。コントローラ６９５は、弁６６１〜６６４を作動させる。
【００３０】
図６Ｂは、第２の実施形態の一実施例を示しており、この場合、複数の三方切替弁６７１〜６７４と二方弁６７５〜６７６が協働して、再循環装置の１つまたはオンライン・ユニットの１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。図４および図６Ｂを参照して、時刻ｔ3より前には、流体がＴ1で再循環装置６１０からライン６２１を通り、順に弁６７３、ライン６２２、弁６７１、ライン６２３、基板サポート１００、ライン６２４、弁６７２、ライン６２５を通って再循環装置６１０に戻るように流れる。時刻ｔ3からｔ4の間には、再循環装置６２０からライン６２６を通る流体がＴphで、順に弁６７６、オンライン・ユニット６４０、ライン６２７、弁６７４、ライン６２８、弁６７１、ライン６２３、基板サポート１００、ライン６２４、弁６７２、ライン６２９を通って再循環装置６２０に戻るように流れる。時刻ｔ4からｔ5の間には、流体がＴ2で再循環装置６２０から、順にライン６３１、弁６７４、ライン６２８、弁６７１、ライン６２３、基板サポート１００、ライン６２４、弁６７２、ライン６２９を通って再循環装置６２０に戻るように流れる。時刻ｔ5からｔ6の間には、流体がＴpcで再循環装置６１０から、順にライン６３２、弁６７５、ライン６３６、オンライン・ユニット６３０、ライン６３３、弁６７３、ライン６２２、弁６７１、ライン６２３、基板サポート１００、ライン６２４、弁６７２、ライン６２５を通って再循環装置６１０に戻るように流れる。時刻ｔ6の後の流れパターンは、時刻ｔ3の前と同様である。
【００３１】
ライン６２１および６２５の間で再循環装置６１０の入口と出口に延びる分岐ライン６３４に沿って、二方弁６７７が配置されている。ライン６３１および６２９の間で再循環装置６２０の入口と出口に延びる分岐ライン６３５に沿って、二方弁６７８が配置されている。二方弁６７７および６７８は、それぞれの再循環装置が直接またはオンライン・ユニットを介して流体を基板サポート１００内に供給していないときにのみ、開くように作動して、それぞれの再循環装置内の流体が局所的に循環することを可能にする。二方弁６７５と弁６７３は協働して、再循環装置６１０からの流体がオンライン・ユニット６３０を通過または迂回するように誘導する。二方弁６７６と弁６７４は協働して、再循環装置６２０からの流体がオンライン・ユニット６４０を通過または迂回するように誘導する。コントローラ６９６は、弁６７１〜６７８を作動させる。
【００３２】
図６Ｃは、第２の実施形態の別の実施例を示しており、この場合、複数の三方切替弁６８１〜６８４および６８７〜６８８が協働して、再循環装置の１つまたはオンライン・ユニットの１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。図４および図６Ｃを参照して、時刻ｔ3より前には、流体はＴ1で再循環装置６１０から、順にライン６４１、弁６８７、ライン６４２、弁６８３、ライン６４３、弁６８１、ライン６４４、基板サポート１００、ライン６４５、弁６８２、ライン６４６を通って再循環装置６１０に戻るように流れる。時刻ｔ3からｔ4の間には、流体がＴphで再循環装置６２０から、順にライン６５１、弁６８８、ライン６５２、オンライン・ユニット６４０、ライン６５３、弁６８４、ライン６５４、弁６８１、ライン６４４、基板サポート１００、ライン６４５、弁６８２、ライン６５５を通って再循環装置６２０に戻るように流れる。時刻ｔ4からｔ5の間には、流体がＴ2で再循環装置６２０から、順にライン６５１、弁６８８、ライン６５６、弁６８４、ライン６５４、弁６８１、ライン６４４、基板サポート１００、ライン６４５、弁６８２、ライン６５５を通って再循環装置６２０に戻るように流れる。時刻ｔ5からｔ6の間には、流体が再循環装置６１０から、順にライン６４１、弁６８７、ライン６４７、オンライン・ユニット６３０、ライン６４８、弁６８３、ライン６４３、弁６８１、ライン６４４、基板サポート１００、ライン６４５、弁６８２、ライン６４６を通って再循環装置６１０に戻るように流れる。時刻ｔ6の後の流れパターンは、時刻ｔ3の前と同様である。
【００３３】
オンライン・ユニット６３０、６４０および再循環装置６１０、６２０の入口と出口の間にそれぞれ接続された分岐ライン６４９、６５７、６５８、６５９に沿って、二方弁６８５、６８６、６８９、６９０が配置されている。二方弁６８９および６９０は、再循環装置６１０により直接またはオンライン・ユニット６３０を介して流体が基板サポート１００に供給されている間に、開くように作動して、再循環装置６２０内の流体が局所的に再循環することを可能にするか、または再循環装置６２０により流体が基板サポート１００に供給されている間に、分岐ライン６５８を通して流体を再循環装置６１０に局所的に再循環させる。二方弁６８５および６８６は、オンライン・ユニットが流体を基板サポート１００内に供給していないときに、開くように作動して、それぞれのオンライン・ユニット内の流体が局所的に再循環することを可能にする。この構成では、弁６８７および６８３が協働して、再循環装置６１０からの流体がオンライン・ユニット６３０を通過または迂回するように誘導することができる。同様に、弁６８８および６８４が協働して、再循環装置６２０からの流体がオンライン・ユニット６４０を通過または迂回するように誘導することができる。コントローラ６９７は、弁６８１〜６９０を作動させる。
【００３４】
図６Ｄは、第２の実施形態の別の実施例を示しており、これは、二方弁６８５および６８６を省いていることを除けば、図６Ｃの実施形態と同じである。コントローラ６９８は、弁６８１〜６８４および６８７〜６９０を作動させる。
【００３５】
図６Ｅは、第２の実施形態の別の実施例を示しており、この場合、複数の四方交差弁６９１〜６９４が協働して、再循環装置の１つまたはオンライン・ユニットの１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。コントローラ６９９は、弁６９１〜６９４を作動させる。
【００３６】
図４および図６Ｅを参照して、時刻ｔ3より前には、流体がＴ1で再循環装置６１０からライン６６１を通り、順に弁６９３、ライン６６２、弁６９１、ライン６６３、基板サポート１００、ライン６６４、弁６９２、ライン６６５、弁６９１、ライン６６６を通って再循環装置６１０に戻るように流れる。同時に、オンライン・ユニット６３０からの流体はライン６６７、６６８および弁６９３を通って循環し、オンライン・ユニット６４０からの流体はライン６７１、６７２および弁６９４を通って循環し、再循環装置６２０からの流体はライン６７３、６７４、６７５および弁６９４、６９２を通って循環する。
【００３７】
時刻ｔ3からｔ4の間には、流体がＴphで再循環装置６２０から、順にライン６７３、弁６９４、ライン６７２、オンライン・ユニット６４０、ライン６７１、弁６９４、ライン６７４、弁６９２、ライン６６５、弁６９１、ライン６６３、基板サポート１００、ライン６６４、弁６９２、ライン６７５を通って再循環装置６２０に戻るように流れる。同時に、オンライン・ユニット６３０からの流体はライン６６７、６６８および弁６９３を通って循環し、再循環装置６１０からの流体はライン６６１、６６２、６６６および弁６９３、６９１を通って循環する。
【００３８】
時刻ｔ4からｔ5の間には、流体がＴ2で再循環装置６２０から、順にライン６７３、弁６９４、ライン６７４、弁６９２、ライン６６５、弁６９１、ライン６６３、基板サポート１００、ライン６６４、弁６９２、ライン６７５を通って再循環装置６２０に戻るように流れる。同時に、オンライン・ユニット６３０からの流体はライン６６７、６６８および弁６９３を通って循環し、再循環装置６１０からの流体はライン６６１、６６２、６６６および弁６９３、６９１を通って循環し、オンライン・ユニット６４０からの流体はライン６７１、６７２および弁６９４を通って循環する。
【００３９】
時刻ｔ5からｔ6の間には、流体がＴpcで再循環装置６１０から、順にライン６６１、弁６９３、ライン６６８、オンライン・ユニット６３０、ライン６６７、弁６９３、ライン６６２、弁６９１、ライン６６３、基板サポート１００、ライン６６４、弁６９２、ライン６６５、弁６９１、ライン６６６を通って再循環装置６１０に戻るように流れる。同時に、再循環装置６２０からの流体はライン６７３、６７４、６７５および弁６９４、６９２を通って循環し、オンライン・ユニット６４０からの流体はライン６７１、６７２および弁６９４を通って循環する。時刻ｔ6の後の流れパターンは、時刻ｔ3の前と同様である。
【００４０】
図６Ｅに示す実施形態は、循環システム全体の流体が常に流動し（すなわち、デッドボリュームがなく）、また、その温度を再循環装置６１０、６２０およびオンライン・ユニット６３０、６４０によって個々に調節することができるという利点がある。
【００４１】
図６Ｆは、１つのオンライン・ユニット６６３０を用いて流体をＴ1またはＴpcで供給し、もう１つのオンライン・ユニット６６４０を用いて流体をＴ2またはＴphで供給する実施例を示している。循環ポンプ６６１０および６６２０は、基板サポート１００とオンライン・ユニット６６３０、６６４０を通る流体を駆動する。コントローラ６６９０により弁６６６１、６６６２を作動させることで、オンライン・ユニット６６３０、６６４０からの流体が基板サポート１００を通るように誘導するとともに、オンライン・ユニット６６３０からの流体の温度をＴ1またはＴpcに設定し、オンライン・ユニット６６４０からの流体の温度をＴ2またはＴphに設定する。弁６６６１は、循環ポンプ６６１０からライン６６１１を通過する流体を誘導するように作動することで、オンライン・ユニット６６３０を通過させ、ライン６６１２、弁６６６１、ライン６６１３、基板サポート１００、ライン６６１４、弁６６６２、ライン６６１５を通って循環ポンプ６６１０に戻るようにする。弁６６６２は、循環ポンプ６６２０からライン６６１６を通過する流体を誘導するように作動することで、オンライン・ユニット６６４０を通過させ、ライン６６１７、弁６６６１、ライン６６１３、基板サポート１００、ライン６６１４、弁６６６２、ライン６６１８を通って循環ポンプ６６２０に戻るようにする。弁６６６１および６６６２は協働して、オンライン・ユニット６６３０、６６４０の１つからの流体を基板サポート１００内に誘導する。図６Ｆは、循環ポンプ、オンライン・ユニット、基板サポート１００の間の論理的な接続を示す簡略図であり、実装の全詳細は示していない。
【００４２】
図８は、２つの三方切替弁９７１〜９７２が協働して、再循環装置９１０および９２０の１つからの流体を基板サポート１００内に誘導し、２つの三方切替弁９７３および９７４が再循環装置９１０および９２０からの流体の温度を設定する実施形態を示している。
【００４３】
図４および図８を参照して、時刻ｔ3より前には、流体がＴ1で再循環装置９１０から、順にライン９２１、熱質量９５０、ライン９２２、弁９７１、ライン９２３、基板サポート１００、ライン９２４、弁９７２、ライン９２５を通って再循環装置９１０に戻るように流れる。同時に、流体がＴpcで予冷ユニット９３０から、熱質量９５０を迂回するように、順にライン９５１、弁９７３、ライン９５７を通って予冷ユニット９３０に戻るように流れ、熱質量９５０を通過する再循環装置９１０からの流体は加熱または冷却されることなくＴ1の流体のままである。流体がＴphで予熱ユニット９４０から、順にライン９５２、弁９７４、ライン９５４、熱質量９６０、ライン９５６を通って予熱ユニット９４０に戻るように流れ、予熱ユニット９４０からの流体と熱質量９６０とはＴphで熱平衡状態にある。流体がＴ2で再循環装置９２０から、熱質量９６０を迂回するように、順にライン９３１、ライン９３５、弁９７８、ライン９２９を通って再循環装置９２０に戻るように流れる。
【００４４】
時刻ｔ3からｔ4の間には、流体がＴ1で再循環装置９１０から、順にライン９２１、ライン９３４、弁９７７、ライン９２５を通って再循環装置９１０に戻るように流れる。同時に、流体がＴpcで予冷ユニット９３０から、順にライン９５１、弁９７３、ライン９５３、熱質量９５０、ライン９５５を通って予冷ユニット９３０に戻るように流れる。ｔ5より前に、熱質量９５０はＴpcで、予冷ユニット９３０からの流体との熱平衡状態に達する。流体がＴphで予熱ユニット９４０から、順にライン９５２、弁９７４、ライン９５４、熱質量９６０、ライン９５６を通って予熱ユニット９４０に戻るように流れる。予熱ユニット９４０からの流体と熱質量９６０とはＴphで熱平衡状態にある。流体がＴ2で再循環装置９２０から、順に、ライン９３１、熱質量９６０を通って、これにより再循環装置９２０からの流体はＴ2からＴphに加熱され、さらにライン９７１、弁９７１、ライン９２３、基板サポート１００、ライン９２４、弁９７２、ライン９２９を通って再循環装置９２０に戻るように流れる。
【００４５】
時刻ｔ4からｔ5の間には、流体がＴ1で再循環装置９１０から、順にライン９２１、ライン９３４、弁９７７、ライン９２５を通って再循環装置９１０に戻るように流れる。流体がＴpcで予冷ユニット９３０から、順にライン９５１、弁９７３、ライン９５３、熱質量９５０、ライン９５５を通って予冷ユニット９３０に戻るように流れる。ｔ5より前に、熱質量９５０はＴpcで、予冷ユニット９３０からの流体との熱平衡状態に達する。同時に、流体はＴphで予熱ユニット９４０から、順にライン９５２、弁９７４、ライン９５８を通って予熱ユニット９４０に戻るように流れる。流体がＴ2で再循環装置９２０から、順にライン９３１、熱質量９６０、ライン９７１、弁９７１、ライン９２３、基板サポート１００、ライン９２４、弁９７２、ライン９２９を通って再循環装置９２０に戻るように流れる。再循環装置９２０からの流体と熱質量９６０とはＴ2で熱平衡状態にある。
【００４６】
時刻ｔ5からｔ6の間には、流体がＴ1で再循環装置９１０から、順に、ライン９２１、熱質量９５０を通って、これにより再循環装置９１０からの流体はＴ1からＴpcに冷却され、さらにライン９２２、弁９７１、ライン９２３、基板サポート１００、ライン９２４、弁９７２、ライン９２５を通って再循環装置９１０に戻るように流れる。同時に、流体がＴpcで予冷ユニット９３０から、順にライン９５１、弁９７３、ライン９５３、熱質量９５０、ライン９５５を通って予冷ユニット９３０に戻るように流れる。予冷ユニット９３０からの流体と熱質量９５０とはＴpcで熱平衡状態にある。流体がＴphで予熱ユニット９４０から、順にライン９５２、弁９７４、ライン９５４、熱質量９６０、ライン９５６を通って予熱ユニット９４０に戻るように流れる。基板サポート１００が加熱されるまでに、熱質量９６０はＴphで、予熱ユニット９４０からの流体との熱平衡状態に達する。流体がＴ2で再循環装置９２０から、順にライン９３１、ライン９３５、弁９７８、ライン９２９を通って再循環装置９２０に戻るように流れる。
【００４７】
時刻ｔ6の後の流れパターンは、時刻ｔ3の前と同様である。
【００４８】
再循環装置９１０および９２０の入口と出口の間に接続された分岐ライン９３４および９３５に沿って、それぞれ二方弁９７７および９７８が配置されている。コントローラ９９６は、弁９７１〜９７４、９７７〜９７８を作動させる。予冷ユニット９３０からの液体は、再循環装置９１０からの液体と混ざることはない。再循環装置９４０からの液体は、再循環装置９２０からの液体と混ざることはない。
【００４９】
この循環システムは、基板サポート全体をカバーする流路または基板サポートのゾーンをカバーする流路を通る液体を誘導するために用いることができる。
【００５０】
弁と流路とを有するこの循環システムは、予めプログラムされた処理方法に従って、さらに／またはプロセス監視システムに応じて、弁を自動的に制御し、作動させるための、適当な論理制御装置と適当な作動機構とをさらに備えることができる。
【００５１】
本明細書に記載の循環システムは、例えばプラズマエッチャまたは化学気相成長システムなど、迅速な切り替えを必要とする基板サポート温度の速やかな達成が望まれる、あらゆる半導体処理装置と共に用いることができる。そのような装置およびプロセスの例は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７２７４００４号、第６８４７０１４号、第６７７０８５２号に記載されており、これらの開示は、その全体が参照により組み込まれる。
【００５２】
一実施形態による例示的な再循環システムは、−１０〜９０℃の液体を１８Ｌ／分で、最大１００ｐｓｉの圧力で供給することが可能な再循環装置により、４０００Ｗの冷却能力を持つ。典型例となるプロセスでは、Ｔ2は、Ｔ1より少なくとも５０℃高い。Ｔ1およびＴ2は、１０〜７５℃である。基板サポートは、５０００Ｊ／℃の熱容量を持つものとすることができ、また、ΔｔhおよびΔｔcは、Ｔ1とＴ2の℃での差の少なくとも４倍とすることができる。図９は、例示的な多段階処理についての代表的な温度データを示している。例示的な多段階処理は、基板サポートに高周波電力を供給することにより半導体基板にＲＦバイアスを印加することと、処理ガスを励起させてプラズマ状態にすることと、半導体基板上の材料の層の中にプラズマエッチングにより開口部を形成することと、を含むことができ、その開口部のエッチングは、液体をＴ1で流路に供給しながら第１の時間Δｔcの間、さらに液体をＴ2で流路に供給しながら第２の時間Δｔhの間、実施される。
【００５３】
基板サポートの温度制御システムについて、その具体的な実施形態を参照して詳細に説明を行ったが、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、様々な変更および変形を実施すること、および均等物を採用することが可能であることは、当業者には明らかであろう。本明細書に記載の温度制御システムは、プラズマ処理システムに限定されることなく、基板サポートが組み込まれたあらゆる適当な装置で用いることができる。
【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６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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