CN101424950B - 被处理基板温度调节装置和调节方法及等离子体处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种将载置在载置台上的被处理基板分为多个区域,改变在各区域的载置台与基板间的热的传递量,针对每个区域调节基板的温度的被处理基板的温度调节装置。其设置有:载置台,其具备多个用于将基板按各区域调节到规定温度的各温度系统的温度调节部;循环流路,通过温度系统调节部在各温度系统中循环流通流体;加热流路,流通比在循环流路中流通的流体温度高的加热流体;冷却流路,流通比在循环流路中流通的流体温度低的冷却流体,并且具备合流部,其在载置台的附近,使循环流路和加热流路和冷却流路合流于各温度系统,并且包括调节来自输出到所述温度调节部的流体的各流路的流量比的流量调节单元。
Description
技术领域
本发明涉及调节作为半导体晶片的基板的温度的装置等,特别是涉及将载置被处理基板的载置台的调温部分开到多个区域,并能够分别独立地调节温度的被处理基板的温度调节装置和温度调节方法、以及具备它们的等离子体处理装置。
背景技术
在对被处理基板进行等离子体蚀刻等的处理的等离子体处理装置中,将基板的温度多阶段呈分段状地改变而进行处理的情况不少。图6是表示在同一处理室中改变蚀刻条件(气体的种类、温度、压力等)同时进行处理的分段温度调节的图表。在进行这样的分段温度调节时,必须高速地进行温度调节。例如,转移到各段的时间最长要求在大约30秒左右。这样的温度调节时,存在与前一段相比升高基板温度的情况和降低基板温度的情况,但是无论哪种情况都希望缩短基板温度的升降所需的时间。
作为这样的温度升降的方法,将载置基板的基座用作热交换用板,通过加热·冷却该基座,进行基板的温度变更。基座的冷却通过使其内部流通冷却剂进行,基座的加热通过在基板的正下方配置热电元件模块等的加热加热器来进行。即,现有技术中基座的加热和冷却大多分别通过不同的方法进行。
但是,在等离子体处理装置中,由于施加等离子体生成用的高频电力,需要防止来自上述的热电元件模块(加热加热器)的配线线路的RF(Radio Frequency:射频)的泄漏。为此,在加热器的配线系统中需要设置RF滤波器,但是设备变得复杂、昂贵并不优选。另外,即使附加RF滤波器也不能够完全抑制RF噪声、RF功耗。另外,需要根据RF频率、RF功率变更滤波器。并且,作为加热器的热源一般使用陶瓷,但是因为陶瓷由于急速的热收缩可能被破损坏,所以利用加热器的急速的温度升降有限制。
因此,在下述专利文献中,揭示了通过传传热介质体(例如冷水和热水)的热交换进行上述的基座(热交换用板)的冷却和加热的技术(专利文献1、2)。即,设置传热介质体的冷却侧循环回路和加热侧循环回路,通过调节从该两回路供给基座的传热介质体的量或者混合比,能够不设置加热器,而任意地变更基座的温度。
专利文献1:日本特开2001-134324号公报
专利文献2:日本特开平7-271452号公报
专利文献3:日本特开2006-156938号公报
在如上所述的基座中流通传热介质体进行加热·冷却的方法中,由于基座整体成为单一的温度,所以不能够依据基座的部位改变基板和基座间的传热量。
另一方面,伴随着近年来半导体基板(晶片)的大直径化,依据晶片的部位加热和散热的平衡发生偏差,难以将大型的晶片整个面保持均匀的温度。
例如,在等离子体处理装置中,等离子体的密度分布或在基座内流通的冷却剂温度的分布等发生偏差的情况较多。特别是,难以在晶片整体上使等离子体的密度分布一样,在晶片的周边和中央,加热和散热的平衡发生差异的情况不少。
一般地,晶片的中央部易于冷却,晶片的周边的冷却较弱。因此,为了将晶片整体控制在均一的温度,在晶片的中央和周边需要改变冷却的程度。
作为对应于这样的根据晶片的部位改变冷却的程度的要求的方法,提出将载置台分成区域,针对每个区域改变基板和载置台的间隙中流通的冷却气体的量的方法(专利文献3)。
但是,在该方法中存在不能够加热基板,并且在区域的边界处,基板的温度特性上产生不规则点的问题,并不优选。为此,如果有能够根据晶片的部位,改变冷却或者加热的程度地基座比较好。
发明内容
因此,本发明的课题是提供一种被处理基板的温度调节装置和温度调节方法,以及具备它们的等离子体处理装置,其在通过使流体在载置被处理基板的载置台的调温部中循环而加热或冷却被处理基板的温度调节装置中,将被处理基板分为多个区域,能够对每个区域控制基板温度。
为了解决上述课题的本发明的被处理基板的温度调节装置的第一方面的特征在于,包括:载置台,其具备多个用于将基板按各区域调节到规定温度的各温度系统的温度调节部;循环流路,通过所述温度系统调节部在各温度系统中循环流通流体;加热流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度高的加热流体;冷却流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度低的冷却流体;合流部,其在所述载置台的附近,使所述循环流路和所述加热流路和所述冷却流路合流于各温度系统,并且包括调节来自输出到所述温度调节部的流体的各流路的流量比的流量调节单元。
依据上述结构,通过在温度调节部中在各区域中流通温度不同的流体,能够任意地调节在各区域向基板的传热量或者来自它们的吸热量。例如,根据基板的部位在加热和散热的平衡上有所不同,在基板温度不均匀的情况下,通过加强基板温度高的区域的冷却,或者减弱温度低的区域的冷却能够使基板温度达到均匀。
该温度调节装置,在各温度系统具备吸引所述温度调节部的下流侧的流体并向所述循环流路、所述加热流路、和所述冷却流路喷出的泵。
另外,优选该温度调节装置的所述流量调节单元是进行反馈控制的单元,其使基于用于检测所述温度调节部中流通的流体的温度的温度检测单元的检测值成为所述规定的温度的值。由此能够缩短温度控制所需要的时间。
本发明的被处理基板的温度调节装置的第二方面,其特征在于,包括:载置台,其具备多个用于将基板按各区域调节到规定温度的各温度系统的温度调节部;循环流路,通过所述温度系统调节部在各温度系统中循环流通流体;加热流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度高的加热流体;冷却流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度低的冷却流体;第一合流部,其在所述载置台的附近,使所述循环流路和所述加热流路和所述冷却流路合流于各温度系统,并且包括调节来自输出到所述温度调节部的流体的各流路的流量比的流量调节单元;第二合流部,其在所述温度调节部的下流侧,使各所述温度系统的循环流路合流;和泵。其吸引来自所述第二合流部的流体,并向所述循环流路、所述加热流路、和所述冷却流路喷出。
通过这样的结构,能够减少泵的数目,同时简化循环流路的配管结构。
在该第二发明的温度调节装置中,所述合流部与所述泵构成为一体。另外,所述流量调节单元是进行反馈控制的单元,其使得基于用于检测所述温度调节部中流通的流体的温度的温度检测单元的检测值成为所述规定的温度的值。
本发明的被处理基板的温度调节方法,其用于将载置在载置台的被处理基板按各区域调节为规定的温度,其特征在于:将按各区域对所述被处理基板进行温度调节的多个温度调节部设置在各温度系统的所述载置台内部,在各温度系统中对在所述温度调节部中流通的流体的目标温度和所述流体的温度进行比较并计算出其温度差,使比所述流体的温度高温度的加热流体、和/或者比所述流体的温度低温度的冷却流体,在所述流体即将流入所述温度调节部之前在各温度系统中与所述流体合流,并且调节所述流体与所述加热流体、和/或者冷却流体的流量比,在各温度系统中调节所述温度调节部中流通的流体的温度。
上述的温度调节方法,优选在各温度系统中检测出所述温度调节部中流通的流体的温度,通过以使所述流体的温度成为目标温度的方式进行反馈控制调节所述流量比。
本发明包括具备上述第一发明和第二发明的温度调节装置的等离子体处理装置。
利用本发明,当通过使流体在载置被处理基板的载置台的调温部循环而加热或冷却被处理基板时,将被处理基板分为多个区域,能够针对每个区域控制基板温度。另外,依据本发明,通过仅调节循环流体和加热流体以及/或者冷却流体的流量比,能够简便地进行基板温度的控制。另外,由于能够使流体温度分段状急剧变化,所以能够缩短基板的温度调节时所需要的时间。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施例的等离子体处理装置的大致结构的图。
图2是表示热交换板的结构的例子的图。
图3是表示温度调节单元中的传热介质的循环流路的结构例的图。
图4是表示传热介质的温度控制系统的结构例的图。
图5是表示本发明的温度调节法的操作顺序的例子的流程图。
图6是表示等离子体处理装置中的分段温度调节的例子的流程图。
符号说明:
1 腔室
2 基座(下部电极)
15 喷淋头(上部电极)
18 传热介质流路
19 温度调节单元
20 配管
21 温度控制装置
W 半导体晶片
35 隔离壁
36 外侧流路
37 内侧流路
38a、38b 流入口
39a、39b 流出口
40、40a、40b 泵
41a、41b 旁路流路
42 加热部
43 冷却部
44 流量调节阀
具体实施方式
以下,参照实施例的附图对本发明进行说明。图1是表示在本发明的实施中使用的等离子体处理装置(等离子体蚀刻装置)的整体的大致结构的图。在图1中,腔室1例如由铝、不锈钢等的材质构成,内部为能够气密地密闭的圆筒形。该腔室1被接地。
在腔室1的内部,设置有载置作为被处理基板例如半导体晶片W的载置台(以下,基座)。图1中所示的基座2通过与半导体晶片W接触进行热交换,而用作调节半导体晶片W的温度的热交换板。基座2由铝等的导电性和热传导性良好的材质构成,兼用作下部电极。
基座2被支撑在陶瓷等的绝缘性的筒状保持部3上。筒状保持部3被支撑在腔室1的筒状支撑部4上。在筒状保持部3的上表面,配置有环状地包围基座2的上表面的由石英等构成的聚焦环5。
在腔室1的侧壁与筒状支撑部4之间,形成有环状的排气通路6。在该排气通路6的入口或者中途安装有环状的阻挡板7。排气通路6的底部通过排气管8与排气装置9连接。排气装置9具有真空泵,将腔室1内的空间减压至规定的真空度。在腔室1的侧壁,安装有开闭半导体晶片W的搬入搬出口10的闸阀11。
在基座2上,等离子体生成用的高频电源12通过匹配器13和供电棒14被电连接。高频电源12将例如40MHz的高频率的高频电力供给到基座2兼作的下部电极。在腔室1的顶部,喷淋头15作为上部电极被设置。通过来自高频电源12的高频电力,在基座2和喷淋头15之间生成等离子体。
另外在基座2中,通过匹配器32和供电棒33连接有用于将等离子体中的离子引到半导体晶片W的偏压用的高频电源31。高频电源31将例如12.88MHz、3.2MHz等的稍低的频率的高频电力供给基座2。
在基座2的上表面,为了通过静电吸附力保持半导体晶片,而设置有由陶瓷等的电介质构成的静电卡盘16。在静电卡盘16的内部,埋入有导电体例如铜、钨等的导电膜构成的内部电极17。在内部电极17通过开关电连接例如2500V、3000V等的直流电源(未图示)。从直流电源对内部电极17施加直流电压时,通过库仑力或者Johnson—Rahbek力将半导体晶片W吸附保持在静电卡盘16。
在基座2的内部,设置有传热介质(流体)流路18。在该传热介质流路18中,从温度调节单元19通过配管20循环供给规定温度的传热介质、例如热水或者冷水。从温度调节单元19对基座2供给的传热介质的温度,通过温度控制装置21控制为规定的温度。
在静电卡盘16和半导体晶片W的背面之间,通过气体供给管23被供给来自传热气体供给部22的传热气体、例如He气体,该传热气体促进静电卡盘16即基座2和半导体晶片W之间的热传导。
顶部的喷淋头15包括,具有大量的气体通气孔的下表面电极板24、和可装卸地支撑该下表面电极板24的电极支撑体25。在电极支撑体25的内部设置有缓冲室26,在该缓冲室26的气体导入口27连接有来自处理气体供给部28的气体导入管29。
喷淋头15与基座2平行地相对设置,作为一对电极即上部电极和下部电极发挥功能。在喷淋头15和载置半导体晶片W的基座2之间的空间中,通过高频电力形成有铅直方向的高频电场,通过高频率的放电,在半导体晶片W的表面附近生成高密度的等离子体。另外,在喷淋头1的周围,与腔室1同心圆状地配置有环磁铁30,在喷淋头15和基座2之间的处理空间中形成磁场。
图2是表示热交换板的结构的例子的图。该基座2是内部为空洞的圆板型的部件,由热传导性良好的材料、例如铝等的金属形成。内部的空洞为流体(以下,传热介质)的流路,在图2的例子中,通过与基座2同心圆状的隔离壁35分割为两部分,分为环状的外侧流路36和圆板状的内侧流路37。
在该两流路中分别流通不同系统的传热介质。即,外侧流路36用的传热介质从流入口38a流入从流出口39a流出,通过图1所示的温度调节单元调节温度并循环。同样地内侧流路37用的传热介质从流入口38b流入从流出口39b流出,由温度调节单元调节温度并循环。
像这样将基座2的内部分割为多个区域,使独立地进行温度控制的传热介质在各个区域流通是本发明的特征。由此,能够对每个区域改变传热介质的温度,能够使基座2和半导体晶片W之间的热的传递量在每个区域不同。
在图2的例子中,通过改变内侧流路37和外侧流路36的传热介质温度,例如能够改变半导体晶片W的周边部和中央部的冷却的程度。通常,半导体晶片W的周边比中央部温度易于升高,所以通过使外侧流路36的传热介质温度比内侧流路37的传热介质温度低,能够保持处理中的半导体晶片W整体的温度均匀。
在本实施例中,外侧流路36、内侧流路37都是内部没有障碍物的流路,但是它们也可以是蜿蜒的蛇管状的流路,也可以是通过冲撞板等的障碍物使其弯曲的流路。通过形成为这样的流路,能够防淤流的产生迅速地使各区域整体的温度均匀。另外,各流路的流入口或流出口的数目可以分别为两个以上。
另外,在本发明中,基座2的分割方法并不需要局限于图2的例子那样的同心圆状。分割数也不局限于2分割,也可以分割为3部分以上。此外,在分割为3部分以上的情况下,使温度调节单元的循环系统的数目与区域分割数目相同是恰当的,另外,也可以根据各个等离子体处理装置的特性、温度调节的目的,进行适当的区域分割。
图3是表示温度调节单元的传热介质的循环流路为两个系统的情况的结构图。图3(a)表示两个系统的传热介质分别进行循环的分割循环型的结构的结构图,图3(b)表示两个系统的传热介质合流进行循环的集合循环型的结构的结构图。
在图3(a)中,配置有两台泵40a、40b,从外侧流出口39a流出的传热介质通过泵40a升压,在分支点Pa向三个方向分流,流入旁路流路41a、加热部42、和冷却部43。另一方面,从内侧流出口39b流出的传热介质通过泵40b升压,在分支点Pb向旁路流路41b、加热部42和冷却部43分流。
加热部42,在高温的传热介质的储藏罐中通过安装在内部的加热器能够将传热介质保持在规定的温度(高温侧)范围。冷却部43,在低温的传热介质的储藏罐中通过安装在内部的冷却器能够将传热介质保持在规定的温度(低温侧)范围。从加热部42和冷却部43起,分别设置两个系统的流出路,并在旁路流路41a和41b合流。在合流点Qa合流的传热介质从流入口38a流入图2所示的外侧流路36,在合流点Qb合流的传热介质从流入口38b流入图2所示的内侧流路37。流入各合流点的旁路流路41a或者41b、加热部42和冷却部43的传热介质的流量,分别通过设置的3个流量调节阀44调节。因此,能够通过改变该流量的比例,独立地控制流入外侧流入口38a和内侧流入口38b的传热介质温度。
在图3(b)中,配置有1台泵40,从外侧流出口39a和从内侧流出口39b流出的传热介质在O点合流,通过泵40被升压并循环。通过泵40被升压的传热介质在分支点P1分为旁路流路41a和41b的2支流路。并且在各旁路流路上设置有分支点P2,将旁路流路41a或41b三分割为直线前进的部分、流入加热部42以及冷却部43的部分。图3(b)的情况中,加热部42和冷却部43的结构也与图3(a)相同。另外,流入合流点Qa、Qb的各3系统的传热介质的流量通过三个流量调节阀44调节,独立控制流入外侧流入口38a和内侧流入口38b的传热介质温度的情况也与图3(a)相同。
通过构成为图3(b)的集合循环型的结构,能够获得减低泵设备费用或劳动力费用,减少出口侧传热介质的温度检测点数等的优点。
图4是表示传热介质的温度控制系统的结构例的示意图,为了简化其动作说明,对循环流路为1系统的情况进行图示。因此,关于各系统,设置与图4同样的系统。但是,也可以使加热部42和冷却部43与其周边机器为两个系统,作为一组共有它们。
为了进行传热介质的温度控制所必要的信息为,进行循环的传热介质的温度,即流出口39的出口温度TO和流入口38的入口温度Ti、加热部42和冷却部43的出口温度TH和TC。成为控制的对象的一般是流入口38的入口温度Ti。为了控制Ti,调节旁路流量QB、加热部侧流量QH和冷却部侧流量QC,只要是该三者成为规定的比例即可。此外,也可以在Ti>TO的情况下使QC=0,在Ti<TO的情况下使QH=0。
即,对控制装置45输入TO、Ti、TH和TC的信息,计算成为目标入口温度Ti *的QB、QH和QC(或QB和QH或者QC)的值,只要调节流量控制阀VB、VH和VC的开口度即可。
另外,当将加热部42和冷却部43的出口温度TH和TC控制为规定的值时,得到TH和TC的信息利用加热电力控制装置46或者冷却剂流量控制装置47进行控制使得它们与目标值一致即可。
图5是表示本发明的温度调节法的顺序的例子的流程图。如从图5所见,首先设定等离子体处理等的基板加热条件、和根据与此对应的基板目标温度设定流入基座2的传热介质的目标入口温度Ti *。该设定,由于各个加热条件的基板温度和入口温度Ti的关系的数据被积攒,所以能够基于该数据根据经验决定。
在本发明中,针对基座2的被分割的每个区域改变目标入口温度Ti *进行设定。图5所示的温度调节的顺序中,在以使各区域的入口温度Ti与目标温度Ti *一致的方式进行控制的情况下,与其他区域的入口温度无关,能够分别独立地进行控制。因此,虽然图5表示1系统中的控制顺序,但是在两个以上系统的情况下,关于各个系统,可以与此相同的顺序进行控制。
首先,如上所述设定目标入口温度Ti *(S-1)。由于控制是按时间序列地进行,所以以时刻t为ti(i=1,2,……),测定ti的入口温度Ti(S-2)。如果Ti>Ti *,则不改变加热侧流量,增加冷却侧流量QC,旁路流量QB减少相同的量即可。冷却侧流量的增加量ΔQC按照如下所示进行计算。
传热介质的比热为C,基于冷却侧流量的增量的入口传热介质的热函的变化量ΔHi为,冷却侧传热介质的显热变化ΔHC和旁路传热介质的显热变化ΔHB的和。即
ΔHi=ΔHC+ΔHB=C(ΔQC·TC-ΔQC·TB)
=C·ΔQC(TC-TB)
这是仅仅使全入口流量QT(=QB+QH+QC)变化(Ti*-Ti)的热函C·QT(Ti*-Ti)即可。因此,形成
C·ΔQC(TC-TB)=C·QT(Ti*-Ti)
ΔQC=QT(Ti*-Ti)/(TC-TB)…………(1)
根据公式(1)提供ΔQC。
因此,测定冷却侧温度TC和出口温度TO(旁路温度TB几乎与TO一致)(S-3),通过公式(1)计算冷却侧流量变化量ΔQC(S-4),基于其结果,通过流量控制阀进行冷却侧流量QC和旁路流量QB的调节即可(S-5)。
另一方面如果Ti<Ti*,则不改变冷却侧流量,增加加热侧流量QH,使旁路流量QB减少相同的量即可。与上述同样地加热侧流量的增加量ΔQH通过以下公式(2)计算。
ΔQC=QT(Ti*-Ti)/(TH-TB)……(2)
这种情况下,从(S-1)到(S-5)的顺序也相同。
接下来,设i=i+1,进行下一时刻的控制,在成为Ti=Ti*的时刻结束。在多个系统的情况下,针对每个系统进行该操作。
依据上述操作顺序,仅按照必要的热函的变化量,增加加热侧或者冷却侧流量即可,能够使控制的操作变得简明,而且能够减少投入加热部或者从冷却部除去的能量,从能量经济性的观点出发是有利的。
Claims (9)
1.一种被处理基板的温度调节装置,其特征在于,包括:
载置台,其具备多个用于将基板的各区域调节到规定温度的各温度系统的温度调节部;
循环流路,其中,流体通过所述温度调节部在各温度系统中循环流通;
加热流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度高的加热流体;
冷却流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度低的冷却流体;
合流部,其在所述载置台的附近,在各温度系统使所述循环流路和所述加热流路和所述冷却流路合流,并且包括流量调节单元,用于调节来自输出到所述温度调节部的流体的各流路的流量比。
2.根据权利要求1所述的被处理基板的温度调节装置,其特征在于:
在各温度系统具备泵,其吸引所述温度调节部的下流侧的流体向所述循环流路、所述加热流路、和所述冷却流路喷出。
3.根据权利要求1或2所述的被处理基板的温度调节装置,其特征在于:
所述流量调节单元是进行反馈控制的单元,其使用于检测在所述温度调节部中流通的流体的温度的温度检测单元的检测值成为所述规定的温度值。
4.一种被处理基板的温度调节装置,其特征在于,包括:
载置台,其具备多个用于将基板的各区域调节到规定温度的各温度系统的温度调节部;
循环流路,其中,流体通过所述温度调节部在各温度系统中循环流通;
加热流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度高的加热流体;
冷却流路,流通比在所述循环流路中流通的流体温度低的冷却流体;
第一合流部,其在所述载置台的附近,在各温度系统使所述循环流路和所述加热流路和所述冷却流路合流,并且包括流量调节单元,用于调节来自输出到所述温度调节部的流体的各流路的流量比;
第二合流部,在所述温度调节部的下流侧,使各所述温度系统的循环流路合流;和
泵,吸引来自所述第二合流部的流体,向所述循环流路、所述加热流路、和所述冷却流路喷出。
5.根据权利要求4所述的被处理基板的温度调节装置,其特征在于:
所述第二合流部与所述泵构成为一体。
6.根据权利要求4或5所述的被处理基板的温度调节装置,其特征在于:
所述流量调节单元是进行反馈控制的单元,其使得用于检测所述温度调节部中流通的流体的温度的温度检测单元的检测值成为所述规定的温度值。
7.一种被处理基板的温度调节方法,其用于将载置在载置台的被处理基板的各区域调节为规定的温度,其特征在于:
将对所述被处理基板的各区域进行温度调节的多个温度调节部设置在各温度系统的所述载置台内部,
在各温度系统中对在所述温度调节部中流通的流体的目标温度和所述流体的温度进行比较并计算出其温度差,
使比所述流体的温度高温度的加热流体、和/或者比所述流体的温度低温度的冷却流体,在所述流体即将流入所述温度调节部之前在各温度系统中与所述流体合流,并且调节所述流体与所述加热流体、和/或者冷却流体的流量比,
在各温度系统中调节所述温度调节部中流通的流体的温度。
8.根据权利要求7所述的被处理基板的温度调节方法,其特征在于:
在各温度系统中检测出所述温度调节部中流通的流体的温度,通过反馈控制调节所述流量比,以使所述温度调节部中流通的流体的温度成为目标温度。
9.一种等离子体处理装置,其特征在于:
具备权利要求1~6任一项的温度调节装置。
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