CN112289670A - 温度调整装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度调整装置，能够使第一面的面内的温度差变小。温度调整装置具有第一构件和流路。第一构件形成有被设为温度控制的对象的第一面。流路在第一构件的内部沿第一面形成，该流路的一端被设为用于导入传热介质的导入口，另一端被设为用于排出所述传热介质的排出口。流路形成为：与第一面之间的热阻随着从排出口去向导入口而增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度调整装置。
背景技术
专利文献1公开了一种等离子体处理装置，该等离子体处理装置通过使制冷剂在设置于载置台的内部的流路中流动来将基板进行冷却，以对载置于载置台上的基板进行温度调整。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-011382号公报
发明内容
发明要解决的问题
本公开提供一种能够使第一面的面内的温度差变小的技术。
用于解决问题的方案
本公开的一个方式的温度调整装置具有第一构件和流路。第一构件形成有被设为温度控制的对象的第一面。流路在第一构件的内部沿第一面形成，该流路一端被设为用于导入传热介质的导入口，另一端被设为用于排出所述传热介质的排出口。流路形成为：与第一面之间的热阻随着从排出口去向导入口而增加。
发明的效果
根据本公开，能够使第一面的面内的温度差变小。
附图说明
图1是示出实施方式所涉及的等离子体处理装置的结构的一例的概要截面图。
图2是示出实施方式所涉及的载置台的主要部分结构的一例的概要截面图。
图3是示出从实施方式所涉及的载置台的上方观察该载置台结构的一例的俯视图。
图4是示出实施方式所涉及的载置台的流路的结构的一例的概要截面图。
图5是示出比较例所涉及的载置台的流路的结构的概要截面图。
图6是说明制冷剂在流路中流动时的热助跑区间和发展区域的图。
图7是示出沿着比较例所涉及的载置台的流路的温度变化的一例的图。
图8是示出实施方式所涉及的模拟结果的一例的图。
图9是示出实施方式所涉及的模拟结果的另一例的图。
图10是说明实施方式所涉及的载置台的热阻的图。
图11是示出实施方式所涉及的传热系数的变化的一例的图。
图12是示出实施方式所涉及的等离子体处理装置的结构的另一例的概要截面图。
附图标记说明
1：处理容器；2：载置台；2a：基材；2b：上表面；6：静电吸盘；6e：载置面；8：晶圆；20：流路；20a：导入口；20b：排出口；21a：制冷剂入口配管；21b：制冷剂出口配管；16：喷淋头；16a：主体部；100：等离子体处理装置；220：流路；220a：导入口；220b：排出口；221a：制冷剂入口配管；221b：制冷剂出口配管。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明所公开的温度调整装置的实施方式。此外，公开技术不被本实施方式限定。
以往以来，等离子体处理装置通过使制冷剂在设置于载置台的内部的流路中流动来将基板进行冷却。但是，在等离子体处理装置中，来自等离子体的热通过基板、载置台传递到制冷剂，由于来自等离子体的热而流路内的制冷剂的温度发生变化。其结果，在等离子体处理装置中，在载置台内部的流路的入口与出口处，制冷剂产生温度差，从而在载置面的面内产生温度差，导致载置于载置台上的基板产生温度差。因此，期待在面内使温度差变小。
(实施方式)
[等离子体处理装置的结构]
图1是示出实施方式所涉及的等离子体处理装置100的结构的一例的概要截面图。等离子体处理装置100具有处理容器1，该处理容器1气密地构成，且以电气方式被设为接地电位。处理容器1被设为圆筒状，例如由铝等构成。处理容器1划分出用于生成等离子体的处理空间。在处理容器1内设置有将作为基板的半导体晶圆(以下，简称为“晶圆”。)8水平地进行支承的载置台2。在本实施方式中，载置台2与温度调整装置相对应。
载置台2构成为包括基材(base)2a和静电吸盘(ESC：Electro static chuck)6。基材2a由导电性的金属、例如铝等构成，并具有作为下部电极的功能。静电吸盘6具有用于对晶圆8进行静电吸附的功能。载置台2被支承台4支承。支承台4被例如被由石英等构成的支承构件3支承。另外，在载置台2的上方的外周例如设置有由单晶硅形成的聚焦环5。并且，在处理容器1内，以包围载置台2和支承台4的周围的方式设置有例如由石英等构成的圆筒状的内壁构件3a。
基材2a经由第一匹配器11a而与第一RF电源10a连接。另外，基材2a经由第二匹配器11b而与第二RF电源10b连接。第一RF电源10a是用于产生等离子体的电源。第一RF电源10a将规定频率的高频电力供给到载置台2的基材2a。第二RF电源10b是用于吸引离子(用于产生偏压)的电源。第二RF电源10b将比第一RF电源10a低的规定频率的高频电力供给到载置台2的基材2a。这样，载置台2构成为能够从第一RF电源10a和第二RF电源10b施加频率不同的两个高频电力。另一方面，在载置台2的上方，以与载置台2平行且相向的方式设置有具有作为上部电极的功能的喷淋头16。喷淋头16与载置台2作为一对电极(上部电极和下部电极)发挥功能。
静电吸盘6的上表面形成为平坦的圆盘状。将静电吸盘6的上表面被设为用于载置晶圆8的载置面6e。静电吸盘6是将电极6a夹在绝缘体6b之间而构成的。在电极6a连接有直流电源12。静电吸盘6通过由于从直流电源12对电极6a施加直流电压而产生的库仑力来对晶圆8进行吸附。
在基材2a的内部形成有流路20。在流路20的一个端部连接有制冷剂入口配管21a。在流路20的另一个端部连接有制冷剂出口配管21b。制冷剂入口配管21a和制冷剂出口配管21b与未图示的冷却单元连接。流路20位于晶圆8的下方，以吸收晶圆8的热的方式发挥功能。等离子体处理装置100构成为：通过使制冷剂例如冷却水、热传导液(Galden)等有机溶剂等从冷却单元经由制冷剂入口配管21a和制冷剂出口配管21b在流路20中循环，能够将载置台2控制为规定的温度。
此外，等离子体处理装置100也可以构成为能够将传热用气体供给到晶圆8的背面侧来单独控制温度。例如，也可以是，在晶圆8的背面以贯通载置台2等的方式设置有用于供给氦气等传热用气体(环境气体)的气体供给管。气体供给管与未图示的气体供给源连接。通过这些结构，将通过静电吸盘6而被吸附保持于载置台2的上表面的晶圆8控制为规定的温度。
喷淋头16设置于处理容器1的顶壁部分。喷淋头16具备主体部16a和形成电极板的上部顶板16b。喷淋头16经由绝缘性构件95被支承于处理容器1的上部。主体部16a由导电性材料例如表面被进行了阳极氧化处理的铝构成，构成为能够在下部将部顶板16b以装卸自如的方式支承。
主体部16a在内部设置有气体扩散室16c。另外，主体部16a在气体扩散室16c的下部形成有多个气体流通孔16d。上部顶板16b设置为：气体导入孔16e与气体流通孔16d重合，以使该上部顶板16b沿厚度方向被贯通。通过这样的结构，被供给到气体扩散室16c的处理气体经由气体流通孔16d和气体导入孔16e呈喷淋状地分散供给到处理容器1内。
在主体部16a形成有用于向气体扩散室16c导入处理气体的气体导入口16g。在气体导入口16g连接有气体供给配管15a的一端。气体供给配管15a的另一端与供给处理气体的处理气体供给源(气体供给部)15连接。在气体供给配管15a上，从上游侧起按顺序设置有质量流量控制器(MFC)15b和开闭阀V2。从处理气体供给源15经由气体供给配管15a向气体扩散室16c供给用于进行等离子体蚀刻的处理气体。从气体扩散室16c经由气体流通孔16d和气体导入孔16e处理容器1以喷淋状地分散的方式供给处理气体。
喷淋头16经由低通滤波器(LPF)71而与可变直流电源72电连接。可变直流电源72构成为能够通过通断开关73进行供电的接通/断开。可变直流电源72的电流/电压以及通断开关73的接通/断开由后述的控制部90进行控制。此外，在从第一RF电源10a、第二RF电源10b向载置台2施加高频来在处理空间产生等离子体时，根据需要，通过控制部90使通断开关73接通来向喷淋头16施加规定的直流电压。
以从处理容器1的侧壁延伸到比喷淋头16的高度位置靠上方的位置的方式设置有圆筒状的接地导体1a。圆筒状的接地导体1a在上部具有顶壁。
在处理容器1的底部形成有排气口81。排气口81经由排气管82而与排气装置83连接。排气装置83具有真空泵。排气装置83通过使真空泵工作来将处理容器1内减压到规定的真空度。另一方面，在处理容器1内的侧壁设置有晶圆8的搬入搬出口84。在搬入搬出口84设置有对该搬入搬出口84进行开闭的闸阀85。
在处理容器1的侧部内侧，沿内壁面设置有沉积物屏蔽件86。沉积物屏蔽件86用于防止蚀刻副产物(沉积物)附着在处理容器1上。在沉积物屏蔽件86的与晶圆8大致相同的高度位置处设置有以能够控制相对于地面的电位的方式连接的导电性构件(GND块)89，由此防止异常放电。另外，在沉积物屏蔽件86的下端部设置有沿内壁构件3a延展的沉积物屏蔽件87。沉积物屏蔽件86、87被设为装卸自如。
上述结构的等离子体处理装置100的动作由控制部90统一控制。在控制部90设置有具备CPU且控制等离子体处理装置100的各部的工艺控制器91、用户接口92以及存储部93。
用户接口92由供工程管理者进行指令的输入操作以管理等离子体处理装置100的键盘、可视化地显示等离子体处理装置100的工作状况的显示器等构成。
在存储部93保存有用于通过工艺控制器91的控制来实现由等离子体处理装置100执行的各种处理的控制程序(软件)、存储有处理条件数据等的制程。然后，根据需要，通过由来自用户接口92的指示等从存储部93调用任意的制程，并使工艺控制器91执行该制程，由此在工艺控制器91的控制下通过等离子体处理装置100进行期望的处理。
[载置台的结构]
接着，参照图2来说明载置台2的主要部分结构。图2是示出实施方式所涉及的载置台2的主要部分结构的一例的概要截面图。
载置台2具有基材2a和静电吸盘6。静电吸盘6形成为圆板状。静电吸盘6以与基材2a同轴的方式通过粘接层7固定于基材2a。静电吸盘6的上表面被设为用于载置晶圆8的载置面6e。在载置面6e形成有凸部6f。在载置面6e载置晶圆8。在载置面6e与晶圆8之间通过凸部6f形成空间9。氦气等传热用气体被供给到空间9。等离子体处理装置100在进行等离子体处理时，来自等离子体的热经由晶圆8和空间9输入到载置台2。
在基材2a的内部沿载置面6e设置有流路20。等离子体处理装置100构成为能够通过使制冷剂在流路20中流通来控制载置台2的温度。
[流路的结构]
接着，说明载置台2的流路20的结构。图3是示出从实施方式所涉及的载置台2的上方观察该载置台2的结构的一例的俯视图。在图3中，载置台2的载置面6e表示为圆板状。例如如图3所示，流路20以旋涡状形成于基材2a的内部的与载置面6e对应的区域。在流路20一端设置有用于导入制冷剂的导入口20a，在另一端设置有用于排出制冷剂的排出口20b。导入口20a与制冷剂入口配管21a连接。排出口20b与制冷剂出口配管21b连接。从制冷剂入口配管21a导入到导入口20a的制冷剂通过流路20的内部，通过了流路20的内部的制冷剂从排出口20b排出到制冷剂出口配管21b。由此，等离子体处理装置100在载置台2的载置面6e的整个区域控制晶圆8的温度。
图4是示出实施方式所涉及的载置台2的流路20的结构的一例的概要截面图。图4的(A)示意性地示出沿着流路20的基材2a的截面。图4的(B)示意性地示出在与制冷剂的流动垂直的平面上的基材2a的截面。在图4的(A)中，沿流路20示出了水平的坐标轴x。下面，通过坐标轴x上的位置来说明流路20的位置。将流路20上的导入口20a的位置设为位置xi。将流路20上的排出口20b的位置设为位置xe。将后述的热助跑区间与发展区域的边界设为位置x0。另外，将流路20上的位置x处的流路20的上部的内壁与上表面2b之间的厚度设为tW(x)。将位置x处的制冷剂的温度设为温度Tm(x)。将位置x处的上表面2b的温度设为温度TW(x)。将位置x处的从等离子体输入的热通量设为q”(x)。此外，在将等离子体的分布视为均匀的情况下，等离子体的热通量q”(x)也可以设为固定的热通量q”。
基材2a的上表面2b形成为平坦的面。流路20在基材2a的内部沿上表面2b形成。流路20的一端被设为用于导入制冷剂的导入口20a，另一端被设为用于排出制冷剂的排出口20b。如图4的(B)所示，流路20的截面形状为矩形，从导入口20a起至排出口20b为止由同样的截面形状形成。
流路20形成为：与上表面2b之间的热阻随着从排出口20b去向导入口20a而增加。在本实施方式中，通过改变流路20的上部的内壁与上表面2b之间的厚度tW(x)，来改变与载置面6e之间的热阻。在本实施方式中，流路20形成为厚度tW(x)随着从排出口20b去向导入口20a而增加。
在此，说明作为比较例的流路120的结构。图5是示出比较例所涉及的载置台2的流路120的结构的概要截面图。图5的(A)示意性地示出了沿着流路120的基材2a的截面。图5的(B)示意性地示出了与制冷剂的流动垂直的平面上的基材2a的截面。在比较例中，在基材2a形成有将与上表面2b之间的厚度tW设为固定的流路120。
在等离子体处理装置100中，来自等离子体的热通过晶圆8、载置台2传递到流路120内的制冷剂，制冷剂的温度沿流路120上升。由此，基材2a的上表面2b的温度沿流路120上升。由此，载置台2在载置面6e的面内产生温度差，并在载置的晶圆8的面内产生温度差。
另外，在制冷剂在流路120中流动的情况下，在制冷剂形成在存在热输入的区间，即，在上游侧形成温度边界层未发展的热助跑区间，在热助跑区间之后形成温度边界层已发展的发展区域。图6是说明制冷剂在流路中流动时的热助跑区间和发展区域的图。在图6中，示出了从顺着流路20、120的管200的一端的导入口200a流入制冷剂的情况。在管200存在来自周围的热输入的情况下，在管200中流动的制冷剂中，沿内壁形成温度的温度边界层201。温度边界层201随着从导入口200a去向下游而朝向中心逐渐发展，在管200的中心部合流。从该导入口200a起至温度边界层201合流的位置为止的区间LT为热助跑区间。在热助跑区间后，形成制冷剂的流动已发展的发展区域。关于制冷剂的传热系数，热助跑区间比发展区域高。
返回图5。在流路120中制冷剂流动的情况下，在制冷剂中，在导入口120a附近形成热助跑区间，在热助跑区间后形成发展区域。将热助跑区间与发展区域的边界设为位置x0。制冷剂的温度Tm(x)沿流路120上升，基材2a的上表面2b的温度TW(x)也沿流路120上升。
图7是示出沿着比较例所涉及的载置台2的流路120的温度变化的一例的图。图7的横轴示出了沿着流路120的位置x。纵轴示出了温度T。从位置xi到位置x0为热助跑区间。从位置x0到位置xe为发展区域。制冷剂的温度Tm(x)沿从位置xi到位置xe上升，基材2a的上表面2b的温度TW(x)也上升。热助跑区间的传热系数高于发展区域。因此，在流路120的导入口200a附近，基材2a的上表面2b的温度TW(x)进一步变低。
在使流路20、120中制冷剂流动的情况下，在制冷剂中，作为物理现象形成热助跑区间。因此，难以制作出传热系数均匀的流路。因此，在如图5所示那样在基材2a中以与上表面2b之间的厚度为固定的厚度tW的方式形成了流路120的情况下，晶圆8的温度随着流路120的制冷剂从位置xi流动到位置xe而上升。另外，在流路120的导入口200a附近形成传热系数高的热助跑区间，因此产生冷点。
因此，在本实施方式所涉及的等离子体处理装置100中，如图4的(A)所示，以与上表面2b之间的厚度tW(x)随着从排出口20b去向导入口20a而增加的方式形成流路20。
接着，说明本实施方式所涉及的流路20的设计方法的一例。制冷剂由于通过了流路20而产生的温升ΔTm如以下的式(1-1)那样表示。另外，对于制冷剂的温升ΔTm，制冷剂的质量流量m与制冷剂的比热Cp之间存在以下的式(1-2)的关系。
【数1】
ΔTm＝Tm(xe)-Tm(xi) …(1-1)
在此，
Tm(xi)为位置xi处的制冷剂的温度[℃]或[K]。
Tm(xe)为位置xe处的制冷剂的温度[℃]或[K]。
m为制冷剂的质量流量[kg/s]。
Cp为制冷剂的比热[J/kg·K]。
q为从等离子体输入的热量[W]。
根据式(1-1)、(1-2)，制冷剂质量流量m如以下的式(2)那样表示。因此，通过式(2)，能够求出从等离子体输入的热量q以及根据制冷剂的温升ΔTm能够求出制冷剂的质量流量m。
【数2】
在设计流路20的位置x处的从上表面2b起的厚度tW(x)的情况下，首先，决定流路20的端部的位置处的从上表面2b起的厚度。接着，以流路20的端部的位置处的厚度为基准，从流路20的端部起决定从上表面2b起的厚度。在本实施方式中，首先决定流路20的排出口20b处的从上表面2b起的厚度tW(xe)。例如，厚度tW(xe)能够根据以下的式(3)求出。此外，在式(3)中，将等离子体的热通量设为固定的热通量q”。
【数3】
在此，
tW(xe)为位置xe处的从流路20的上表面2b起的厚度。
TW(xe)为位置xe处的流路20的上表面2b的温度[℃]或[K]。
Tm(xe)为位置xe处的制冷剂的温度[℃]或[K]。
q”为从等离子体输入的热通量[W/m2]。
h(x)为位置x处的流路20的传热系数[W/m2·K]。
h(xe)为位置xe处的流路20的传热系数[W/m2·K]。
kW(x)为位置x处的基材2a的热导率[W/m·K]。
kW(xe)为位置xe处的基材2a的热导率[W/m·K]。
例如，根据排出口20b的位置xe处的上表面2b的温度TW(xe)、制冷剂的温度Tm(xe)、传热系数h(xe)、基材2a的热导率kW(xe)以及热通量q”，通过式(3)来决定厚度tW(xe)。
接着，根据制冷剂的流动状态求出流路20的热助跑区间(位置x0～xi)和发展区域(位置x0～xe)。制冷剂根据制冷剂的雷诺数Re在流路20内呈层流或紊流地流动。制冷剂的雷诺数Re能够根据以下的式(4)求出。
【数4】
在此，
ρ为制冷剂的密度[kg/m3]。
um为制冷剂的平均流速[m/s]。
μ为制冷剂的粘度[Pa·s]。
A为流路20的横截面积[m2]。
DH为流路20的水力直径。DH根据DH＝4A/Pwet求出。
Pwet为流路20的湿周[m]，例如在相对于制冷剂的流动垂直的平面的流路20的截面与制冷剂相接的壁面的长度。
理论上，流路20的热助跑区间的长度Δx0i根据制冷剂的雷诺数Re而变为以下的式(5-1)、(5-2)那样。
【数5】
层流区域(Re≤2300)：Δx0i＝xi-x0≈0.05RePr·DH …(5-1)
紊流区域(Re＞2300)：Δx0i＝xi-x0≈10DH …(5-2)
在此，
Pr为制冷剂的普朗特数。
Δx0i为流路20的热助跑区间的长度[m]。
实际上，在紊流的情况下，热助跑区间的长度Δx0i处于流路20的水力直径DH的2倍至10倍之间。在紊流的情况下，将热助跑区间决定为从导入口20a的位置xi起至与该位置xi之间的长度为例如水力直径DH的2倍至10倍之间的某个长度的位置x0为止的范围。另外，在层流的情况下，将热助跑区间决定为从导入口20a的位置xi起至与该位置xi之间的长度为式(5-1)的长度的位置x0为止的范围。将发展区域决定为流路20的热助跑区间以后的从位置x0起至位置xe的范围。
接着，关于流路20的热助跑区间(位置x0～xi)和发展区域(位置x0～xe)，将流路20的各位置处的与上表面2b之间的厚度决定为：随着从排出口20b去向导入口20a，流路20与上表面2b之间的厚度增加。
关于发展区域，能够以位置xe处的厚度tW(xe)为基准，根据以下的式(6)求出流路20的位置x处的从上表面2b起的厚度tW(x)。
【数6】
例如，根据式(6)，如以下的式(7)那样求出成为热助跑区间与发展区域的边界的位置x0处的厚度tW(x0)。
【数7】
例如，关于发展区域(位置x0～xe)，将流路20的位置x处的厚度tW(x)决定为从式(6)所示的位置xe处的厚度tW(xe)线性增加至式(7)所示的位置x0处的厚度tW(x0)。
关于热助跑区间，能够以位置xe处的厚度tW(xe)为基准，根据以下的式(8)求出流路20的位置x处的厚度tW(x)。
【数8】
在发展区域中，传热系数h(x)为固定的h。例如能够根据以下的式(9)求出发展区域的传热系数h。
【数9】
在此，
Pr为制冷剂的普朗特数。
DH为流路20的水力直径。
k为制冷剂的热导率[W/m·K]。
热助跑区间(位置x0～xi)的传热系数h(x)在h(xi)～h之间变化。理论上，传热系数h(xi)＝∞，但是导入口20a附近的厚度变大，无法再忽视横向上的热扩散，因此需要适当地估计h(xi)。在制冷剂为紊流的区域中，如果设为h(xi)＝1.1h～2.0h，则能够根据式(8)求出流路的厚度tW(x)。
在制冷剂为紊流的区域中，热助跑区间非常短。因此，在制冷剂变为紊流的区域中，将热助跑区间的位置x处的厚度tW(x)决定为从位置x0处的厚度tW(x0)线性增加至位置xi处的厚度tW(xi)。
在这样的本实施方式所涉及的设计方法中，如果以将来自等离子体的热输入设为可取的最大值的方式设计流路20，则能够针对比最大值小的热输入获得更好的温度均匀性。
在基材2a使用了钛、不锈钢等热导率低的材料的情况下，导入口20a处的厚度tW(xi)相比于排出口20b处的厚度tW(xe)不会变得那么大。另一方面，在基材2a使用了氧化铝等热导率高的基体材料的情况下，导入口20a处的厚度tW(xi)相比于排出口20b出的厚度tW(xe)变得非常大。在这种情况下，在流路20的顶部设置不锈钢、钛、氧化铝陶瓷等热导率低的材料或者喷镀膜即可。
另外，在除静电吸盘6以外、流路20的上下表面或者四个面受热的情况下，如果通过本实施方式所涉及的设计方法来设计流路20的周围的壁的厚度，则能够沿流路20使流路20的外壁的温度均匀。另外，在截面形状为圆形的流路20或者具有其它截面形状的流路20的情况下，如果通过本实施方式所涉及的设计方法来设计受热面的壁的厚度，则能够沿流路20使从导入口20a到排出口20b的流路的外壁温度均匀。
接着，说明流路20的具体结构的一例。在图4所示的流路20中，流路20的宽度和高度设为12mm，流路20的长度(位置xi～xe)设为4.5m，进行从等离子体向流路20的热输入的加热面的宽度W设为22mm。另外，从等离子体输入的热量设为950[W]，来自等离子体的热通量设为50000[W/m2]。制冷剂的温升ΔTm设为5.84℃。制冷剂设为3M公司的Novec7200，制冷剂的质量流量m设为0.821[kg/s]。基材2a的材料设为钛。排出口20b处的厚度tW(xe)设为1mm。热助跑区间(位置x0～xi)的长度设为3·DH＝36mm。导入口20a的位置xi设为x＝0mm的位置，排出口20b的位置xe设为x＝4500mm的位置。成为热助跑期间与发展区域的边界位置x0为x＝36mm的位置，为距排出口20b的位置xe的上游侧4500-36＝4461mm的距离。
如果使用上述那样的本实施方式所涉及的设计方法，则计算出位置x0处的厚度tW(x0)为3.50mm。另外，计算出位置xi处的厚度tW(xi)为6.04mm。
在本实施方式所涉及的载置台2中，将流路20形成为：随着从排出口20b去向导入口20a，流路20的与上表面2b之间的厚度tW(x)增加。例如，将流路20形成为：在从位置xe到位置x0之间(x＝4500mm～36mm)，厚度tW(x)从1mm线性增加到3.50mm。另外，将流路20形成为：在从位置x0到位置xi之间(x＝36mm～0mm)，厚度tW(x)从3.50mm线性增加到6.04mm。
进行了以下模拟：在形成有这样的流路20的载置台2粘贴陶瓷板，使用氦气将晶圆8进行冷却。从等离子体输入的热量设为4950[W]，来自等离子体的热通量设为50000[W/m2]。并且，作为比较例，关于如图5所示那样将与上表面2b之间的厚度tW设为固定的流路120的情况进行了同样的模拟。
图8是示出实施方式所涉及的模拟结果的一例的图。图8的横轴表示从导入口20a起的位置x。纵轴表示载置台2的上表面的温度。在比较例所涉及的流路120中，载置台2的上表面的温度在位置xi～xe的范围内上升。由此，载置台2在载置面6e的面内产生温度差，导致所载置的晶圆8的面内产生温度差。
另一方面，本实施方式所涉及的流路20能够使载置台2的上表面的温度大致均匀。由此，载置台2能够使所载置的晶圆8的温度大致均匀，并能够使晶圆8的面内的温度差变小。
另外，将从等离子体输入的热量设为4950[W]的一半即2475[W]，对形成有本实施方式所涉及的流路20的载置台2和形成有比较例所涉及的流路120的载置台2进行了同样的模拟。
图9示出实施方式所涉及的模拟结果的另一例的图。图9的横轴表示从导入口20a起的位置x。纵轴表示载置台2的上表面的温度。即使在使从等离子体输入的热量减半了的情况下，本实施方式所涉及的流路20也能够使载置台2的上表面的温度大致均匀。另一方面，在比较例所涉及的流路120中，载置台2的上表面的温度沿流路120上升。
这样，形成有本实施方式所涉及的流路20的载置台2能够使所载置的晶圆8的面内的温度差变小。
在此，在上述的载置台2的结构中，通过改变流路20的上部的内壁与上表面2b之间的厚度来改变流路20与载置面6e之间的热阻。但是，载置台2也可以通过改变流路20与载置面6e之间的构件的厚度、材质来改变流路20与载置面6e之间的热阻。
说明载置台2的热阻。图10是说明实施方式所涉及的载置台2的热阻的图。在图10中，概要地示出与位置x处的制冷剂的流动垂直的平面处的载置台2的截面。
载置台2是基材2a、粘接层7、静电吸盘6等多个构件层叠而构成的。在静电吸盘6上配置晶圆8。在图10中，将位置x处的流路20与基材2a的上表面2b之间的热阻示为热阻R1(x)。另外，将位置x处的粘接层7的热阻示为热阻R2(x)。另外，将位置x处的静电吸盘6的热阻示为热阻R3(x)。另外，将位置x处的静电吸盘6与晶圆8之间的热阻示为热阻R4(x)。另外，将位置x处的晶圆8的热阻示为热阻R5(x)。另外，示出了位置x处的来自等离子体的热通量q”(x)。另外，示出了位置x处的晶圆8的温度TW(x)。另外，示出了位置x处的制冷剂的温度Tm(x)。另外，示出位置x处的向制冷剂输入的热通量q”inner(x)。
在通过从等离子体输入热量和利用制冷剂进行冷却使晶圆8、载置台2的温度变得固定的热平衡状态下，成为从等离子体输入的热量和通过制冷剂释放的热量大致相等的状态。即q”(x)≈q”inner(x)。另外，关于位置x处的晶圆8的温度TW(x)，在晶圆8的温度均匀的情况下，即使在位置xe处也会是相同的温度，因此，TW(x)＝TW(xe)＝TW。
位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻为将晶圆8与流路20之间的各构件的热阻Rn进行合计所得到的值，如以下的式(10)那样表示。例如，在图10中，设为n＝5，位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻为将热阻R1～R5进行合计所得到的值。
【数10】
位置x处的制冷剂的温度Tm(x)如以下的式(11)那样表示。
【数11】
在此，
Tm(xi)为位置xi处的制冷剂的温度([℃]或[K])。
W为进行从等离子体向流路20的热输入的加热面的宽度[m]。例如在以固定间隔呈旋涡状地形成了流路20的情况下，W设为与相邻的流路20的中点间的宽度。
排出口20b的位置xe处的晶圆8与流路20之间的热阻如以下的式(12)那样表示。
【数12】
在此，
TW为晶圆8的温度([℃]或[K])。
Tm(xe)为位置xe处的制冷剂的温度([℃]或[K])。
q”(xe)为位置xe处的来自等离子体的热通量[W/m2]。
h(xe)为位置xe处的流路的传热系数[W/m2·K]。
在发展区域中，传热系数h(x)为固定的h∞。因此，在发展区域中，使位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻满足以下的式(13)即可。
【数13】
另一方面，在流路20的热助跑区间或者传热系数h(x)发生变化的区域中，使位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻满足以下的式(14)即可。
【数14】
在来自等离子体的热通量q”(x)存在分布的情况下，使用上述的式(11)～(14)。另一方面，在来自等离子体的热通量q”(x)为固定的q”的情况下，上述的式(12)所示的、排出口20b的位置xe处的晶圆8与流路20之间的热阻变为以下的式(15)。
【数15】
另外，在来自等离子体的热通量q”(x)为固定的q”的情况下，上述的式(13)所示的、位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻变为以下的式(16)。
【数16】
式(16)的右边的第二项为式(15)的左边。因此，在发展区域中，位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻与从流路20的排出口20b的位置xe起的距离(|xe-x|)相应地增加。
另外，在来自等离子体的热通量q”(x)为固定的q”的情况下，在流路20的热助跑区间或者传热系数h(x)发生变化的区域中，上述的式(14)所示的、位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻变为以下的式(17)。
【数17】
式(17)的右边的第一项和第三项为式(16)的右边。因此，在流路20的热助跑区间或者传热系数h(x)发生变化的区域中，位置x处的晶圆8与流路20之间的热阻相比于发展区域增加。
传热系数h(x)在导入口20a变为非常大的值，随着远离导入口20a而急剧下降，当超过热助跑区间后不再改变。图11是示出实施方式所涉及的传热系数的变化的一例的图。图11的横轴表示流路20上的位置x。纵轴表示传热系数。传热系数h(x)在导入口20a的位置xi变为非常大的值，当超过热助跑区间后变为h∞。如上所述，热助跑区间的长度Δx0i根据制冷剂的雷诺数Re变为如式(5-1)、(5-2)那样。
在层流的情况下，发展区域的传热系数h∞取决于截面形状。例如在截面形状为圆形的情况下，根据以下的式(18)求出传热系数h∞。
h∞＝4.36(k/DH)…(18)
在此，
k为制冷剂的热导率[W/m·K]。
DH为流路20的水力直径。
在截面形状为圆形以外的形状的情况下，能够根据示出传热系数的计算方法的手册、实验结果或者热流动模拟来求出发展区域的传热系数h∞。另外，在紊流的情况下，例如能够根据上述的式(9)求出发展区域的传热系数h∞。
在层流的情况下，热助跑区间的传热系数h(x)取决于截面形状，能够根据示出传热系数的计算方法的手册、实验结果或者热流动模拟来求出热助跑区间的传热系数h(x)。另外，在紊流的情况下，也能够根据示出传热系数的计算方法的手册、实验结果或者热流动模拟来求出热助跑区间的传热系数h(x)。
求出热助跑区间的传热系数h(x)和发展区域的传热系数h∞并代入上述的式(11)～(17)，由此能够求出使载置台2的上表面的温度变得大致均匀的、晶圆8与流路20之间的各构件的热阻的条件。例如，在图10中，在决定了R2(x)～R5(x)的情况下，变更流路20与基材2a的上表面2b之间的热阻R1(x)使得满足条件。例如，局部地改变流路20的上部的内壁与上表面2b之间的厚度、基材2a的材质来改变将热阻R1(x)～R5(x)进行合计所得到的值使得满足条件。由此，流路20能够使载置台2的上表面的温度大致均匀。其结果，载置台2能够使所载置的晶圆8的温度大致均匀，因此能够使晶圆8的面内的温度差变小。
如以上那样，本实施方式所涉及的载置台2具有基材2a和流路20。流路20在基材2a的内部沿上表面2b形成，流路20的一端被设为用于导入制冷剂的导入口20a，另一端被设为用于排出制冷剂的排出口20b。流路20形成为：与上表面2b之间的热阻随着从排出口20b去向导入口20a而增加。由此，载置台2能够使上表面2b的面内的温度差变小。其结果，载置台2能够使所载置的晶圆8的温度大致均匀，因此能够使在晶圆8的面内的温度差变小。
另外，本实施方式所涉及的基材2a在上表面2b存在来自等离子体的热输入。流路20形成为：与从导入口20a朝向排出口20b流动的制冷剂的温度梯度相应地，与上表面2b之间的热阻随着从排出口20b去向导入口20a而增加。由此，载置台2能够使上表面2b的面内的温度差变小。
另外，本实施方式所涉及的流路20形成为：通过从导入口20a导入的制冷剂，温度边界层未发展的热助跑区间的热阻的增加程度比温度边界层已发展的发展区域的热阻的增加程度大。由此，载置台2能够抑制在上表面2b的与热助跑区间相对应的区域中产生冷点的情况。
另外，本实施方式所涉及的流路20形成为在发展区域中满足上述的式(13)。由此，载置台2能够使上表面2b的与发展区域相对应的区域的温度差变小。
另外，本实施方式所涉及的流路20形成为在热助跑区间满足上述的式(14)。由此，载置台2能够使上表面2b的与热助跑区间相对应的区域的温度差变小。
另外，本实施方式所涉及的流路20形成为厚度tW(x)随着从排出口20b去向导入口20a而增加。载置台2能够通过改变厚度tW(x)来变更与上表面2b之间的热阻，能够使上表面2b的面内的温度差变小。
以上说明了实施方式，但是应该认为本次公开的实施方式在所有方面均为例示，而非限制性的。实际上，上述的实施方式能够通过各种形式来实现。另外，上述的实施方式也可以在不脱离权利要求书范围及其主旨的情况下以各种形式进行省略、置换、变更。
例如，在上述的实施方式中，作为温度调整装置，以载置台2为例并以在晶圆8、载置面6e、基材2a的上表面2b的面内使温度差变小的情况为了进行了说明。但是，不限于此。也可以应用于等离子体处理装置100的其它部分。例如，在等离子体处理装置100中，有时在上部电极设置流路并使制冷剂循环来进行温度控制，以将上部电极进行冷却。另外，在等离子体处理装置100中，有时在处理容器1的侧壁内设置流路并使制冷剂循环来进行温度控制，以将处理容器1均匀地进行冷却。也可以将实施方式的设计方法应用于像这样进行温度控制的流路。图12是示出实施方式所涉及的等离子体处理装置100的结构的另一例的概要截面图。等离子体处理装置100设置有具有作为上部电极的功能的喷淋头16。在图12中，喷淋头16与温度调整装置相对应。喷淋头16具备主体部16a和上部顶板16b。主体部16a的下表面被设为平坦的面，沿下表面设置有流路220。在流路220的一端设置有与制冷剂入口配管221a连接的导入口220a，在另一端设置有与制冷剂出口配管221b连接的排出口220b。喷淋头16通过来自等离子体的热输入变为高温。等离子体处理装置100构成为能够通过使制冷剂在流路220中流通来控制喷淋头16的温度。也可以是，将实施方式的设计方法应用于这样的流路220，来形成为与主体部16a的下表面之间的厚度随着从排出口220b去向导入口220a而增加。由此，流路220能够使主体部16a的下表面的温度大致均匀，能够使喷淋头16的面内的温度差变小。
另外，在上述的实施方式中，以将向载置台2输入热量的热源设为等离子体并通过流路20释放来自等离子体的热的情况为例进行了说明。但是，不限于此。也可以采用等离子体以外的热源。在载置台2中，有时将作为热源的加热器设置于载置面6e整个面以进行晶圆8的温度控制。在这种情况下，通过以还包括来自加热器的热输入的方式设计流路20，即使在设置有加热器的情况下也能够在晶圆8、载置面6e、基材2a的上表面2b的面内使温度差变小。
另外，在上述的实施方式中，以使制冷剂等比载置台2的温度低的传热介质在流路20中循环来将载置台2进行冷却的情况为例进行了说明。但是，不限于此。也可以使比载置台2的温度高的传热介质在流路20中循环来进行使载置台2升温的调温。在这种情况下，通过适当地改变热通量q”、q”(x)的符号等，即使在进行升温的调温的情况，也能够在晶圆8、载置面6e、基材2a的上表面2b的面内使温度差变小。
另外，在上述的实施方式中，以形成于载置台2的流路20为一个的情况为例进行了说明。但是，不限于此。也可以是，在基材2a的内部从载置台2的中心起呈同心圆状地划分出中心部、中间部、外周部的多个流路20。在这种情况下，通过使各个流路中循环不同温度的制冷剂，能够实现从载置台2的中心沿径向具有温度梯度并且周向上的温度差变小的温度分布。
另外，上述的等离子体处理装置100是电容耦合型的等离子体处理装置，但是能够采用任意的等离子体处理装置。例如，等离子体处理装置100可以是任意类型的等离子体处理装置，如电感耦合型的等离子体处理装置、通过诸如微波之类的表面波来激励气体的等离子体处理装置。
另外，在上述的实施方式中，以第一RF电源10a及第二RF电源10b与基材2a连接的情况为例进行了说明，但是等离子体源的结构不限于此。例如，用于产生等离子体的第一RF电源10a也可以与具有作为上部电极的功能的喷淋头16连接。另外，用于吸引离子(用于产生偏压)的第二RF电源10b也可以与基材2a连接。
另外，上述的等离子体处理装置100是进行作为等离子体处理的蚀刻的等离子体处理装置，但是能够采用进行任意的等离子体处理的等离子体处理装置。例如，等离子体处理装置100既可以是进行化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)等的单片式沉积装置，也可以是进行等离子体退火、等离子体注入等的等离子体处理装置。
另外，在上述的实施方式中，以将基板设为半导体晶圆的情况为例进行了说明，但是不限于此。基板也可以是玻璃基板等其它基板。
Claims (6)
1.一种温度调整装置，其特征在于，具有：
第一构件，其形成有被设为温度控制的对象的第一面；以及
流路，其在所述第一构件的内部沿所述第一面形成，所述流路的一端被设为用于导入传热介质的导入口，另一端被设为用于排出所述传热介质的排出口，
其中，所述流路形成为：与所述第一面之间的热阻随着从所述排出口去向所述导入口而增加。
2.根据权利要求1所述的温度调整装置，其特征在于，
所述第一构件在所述第一面存在来自热源的热输入，
所述流路形成为：根据从所述导入口朝向所述排出口流动的传热介质的温度梯度，与所述第一面之间的热阻随着从所述排出口去向所述导入口而增加。
3.根据权利要求1或2所述的温度调整装置，其特征在于，
所述流路形成为：通过从所述导入口导入的传热介质，温度边界层未发展的热助跑区间的热阻的增加程度比所述温度边界层发展后的发展区域的热阻的增加程度大。
4.根据权利要求3所述的温度调整装置，其特征在于，
所述第一构件在用于载置基板的载置面与所述第一面之间层叠地设置有多个构件，
在将沿所述流路的位置x处的包括所述第一构件和所述多个构件的所述基板与所述流路之间的构件i的热阻设为Ri(x)、将所述基板的温度设为TW、将传热介质的温度设为Tm(x)、将向所述基板的热通量设为q”(x)、将所述流路的传热系数设为h∞的情况下，所述流路形成为在所述发展区域中满足以下的式(1)，
【数1】
5.根据权利要求3或4所述的温度调整装置，其特征在于，
所述第一构件在用于载置基板的载置面与所述第一面之间层叠地设置有多个构件，
在将沿所述流路的位置x处的包括所述第一构件和所述多个构件的所述基板与所述流路之间的构件i的热阻设为Ri(x)、将所述基板的温度设为TW、将传热介质的温度设为Tm(x)、将向所述基板的热通量设为q”(x)、将所述流路的传热系数设为h(x)的情况下，所述流路形成为在所述热助跑区间中满足以下的式(2)，
【数2】
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的温度调整装置，其特征在于，
所述流路形成为：与所述第一面之间的厚度随着从所述排出口去向所述导入口而增加。
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