JP2017063088A - 温度調整装置及び基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる２以上の温度制御部により制御される媒体による熱負荷を軽減することを目的とする。【解決手段】被処理基板を載置する載置台と、第１温度調整媒体の温度を第１温度に制御する第１温度制御部と、第２温度調整媒体の温度を第１温度よりも高い第２温度に制御する第２温度制御部と、前記載置台の内部に設けられ、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体とが切り替えて流れる載置台流路と、前記載置台流路から流出した前記第１温度調整媒体が流れる第１流路と、前記載置台流路から流出した前記第２温度調整媒体が流れる第２流路と、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体との間の熱の授受を行うヒートポンプ構造と、を有する被処理基板の温度調整装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、温度調整装置及び基板処理装置に関する。
載置台上に載置された基板上の温度分布を均一にするために加熱機構や冷却機構を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１〜４を参照）。例えば、特許文献１では、載置台を複数のゾーンに分け、ゾーン毎に複数の冷却槽を設け、載置台に置かれた基板の温度をゾーン毎に制御することが開示されている。また、特許文献２では、４つの温調ユニット（チラー）の内部の媒体の温度を４段階の温度に制御し、４つの温調ユニットから出力される媒体をバルブでコントロールする構成が開示されている。
また、特許文献３では、静電チャックの内部に設けられた流路を有する相変化熱伝達ループが蒸発器、圧縮器、凝縮器及び膨張弁を有し、冷却モード又は加熱モードのうちの何れかで作動することが開示されている。
また、特許文献４では、載置台の内部に複数の系統の流路を設け、温度域の異なる流体の流量を複数のバルブを用いて制御することで速やかに基板の温度を均一にすることが開示されている。
特開平５−２４３１９１号公報 米国特許第８４１０３９３号明細書 特開２００７−１１６０９８号公報 特開２００９−１１７４４３号公報
しかしながら、上記特許文献では、異なる温度に媒体を制御する複数の温調ユニットを有し、高温の媒体と低温の媒体とを切り替えて温調する温調システムにおいて、温度の切り替え時に高温の媒体が低温温調ユニットに戻ったり、低温の媒体が高温温調ユニットに戻ったりすることがある。
このように高温の媒体及び低温の媒体を切り替えて循環させる際に制御温度と異なる温度の媒体が温調ユニットに戻ることによる熱負荷から、温調ユニット内の媒体の温度が大きく変動する。これにより、各温調ユニット内の媒体の温度を制御温度にするために長時間が費やされて生産性が悪化したり、最終的に媒体の温度が制御温度に達しないといった課題が生じる。
これに対して、温調ユニットが有する熱源の最大電力量を大きくして、媒体の温度を制御温度にするまでの時間を短縮することが考えられる。しかしながら、これによれば、温調ユニットが消費する電力量が増加し、電力コストがかかる。
そこで、温度の切り替え時に、温調ユニット内のバルブの切り替えタイミングを遅らせることで、上記の熱負荷を軽減することが考えられる。しかしながら、高温側の温調ユニットのタンクと低温側の温調ユニットのタンクとは連結されているため、タンクの液面レベルの調整によりタンク同士で熱の授受が起こる。このため、温調ユニット内のバルブの切り替えタイミングを遅らせても上記の熱負荷を軽減することは難しい。さらに、低温の媒体と高温の媒体が混ざることで生じるヒートショックにより、温調ユニットの耐久性が悪くなる。
上記課題に対して、一側面では、本発明は、異なる２以上の温度制御部により制御される媒体による熱負荷を軽減することを目的とする。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、被処理基板を載置する載置台と、第１温度調整媒体の温度を第１温度に制御する第１温度制御部と、第２温度調整媒体の温度を第１温度よりも高い第２温度に制御する第２温度制御部と、前記載置台の内部に設けられ、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体とが切り替えて流れる載置台流路と、前記載置台流路から流出した前記第１温度調整媒体が流れる第１流路と、前記載置台流路から流出した前記第２温度調整媒体が流れる第２流路と、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体との間の熱の授受を行うヒートポンプ構造と、を有する被処理基板の温度調整装置が提供される。
一の側面によれば、異なる２以上の温度制御部により制御される媒体による熱負荷を軽減することができる。
一実施形態に係る温度調整装置の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプ未使用時の温度の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプ使用時の温度の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプオフの切替時（低温→高温）の温度の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプオンの切替時（低温→高温）の温度の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプオフの切替時（高温→低温）の温度の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプオンの切替時（高温→低温）の温度の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプオンの切替時（低温→高温）における冷却水との熱交換の一例を示す図。 一実施形態に係るヒートポンプオンの切替時（高温→低温）における冷却水との熱交換の一例を示す図。 一実施形態の変形例に係る温度調整装置の一例を示す図。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
［温度調整装置の全体構成］
（基板処理装置）
まず、本発明の一実施形態に係る温度調整装置１の一例について、図１を参照しながら説明する。本実施形態では、温度調整装置１により基板処理装置１００の温度制御が実行される。
図１に示した基板処理装置１００は、基板を処理する装置の一例であり、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型の処理容器１１０（チャンバ）を有している。処理容器１１０は接地されている。処理容器１１０内には、半導体ウエハＷ(以下、ウエハＷと称呼する)を載置する載置台１１１が設けられている。載置台１１１は、たとえばアルミニウムからなり、処理容器１１０の底から垂直上方に延びる筒状支持部１１６に支持されている。載置台１１１上の上面にはウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１１２が設けられている。静電チャック１１２は、直流電圧が印加されることによりクーロン力でウエハＷをチャック上に吸着保持する。静電チャック１１２上にはウエハＷが載置される。本実施形態では、載置台１１１の内部に載置台流路１７０が形成されている。載置台流路１７０に低温ブライン又は高温ブラインを切り替えて流すことで、載置台１１１が温度制御され。これによりウエハＷを所定の温度に制御することができる。
処理容器１１０の側壁と筒状支持部１１６との間には排気路１２０が形成されている。排気路１２０は、図示しない排気装置に接続され、真空ポンプを用いて処理容器１１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧する。処理容器１１０の側壁には、ウエハＷの搬入出口を開閉する搬送用のゲートバルブ１３０が取り付けられている。
載置台１１１には、整合器１３４を介してプラズマ生成用の高周波電源１３２が接続されている。高周波電源１３２は、たとえば６０ＭＨｚの高周波電力を載置台１１１に印加する。このようにして載置台１１１は下部電極として機能する。なお、処理容器１１０の天井部には、後述するシャワーヘッド１３８が接地電位の上部電極として設けられている。これにより、高周波電源１３２からの高周波電圧は載置台１１１とシャワーヘッド１３８との間に容量的に印加され、その高周波の放電により、静電チャック１１２の表面近傍に高密度のプラズマが生成される。生成されたプラズマの作用により、処理容器１１０内では、所定の温度に制御されたウエハＷにエッチング処理等のプラズマ処理が施される。
天井部のシャワーヘッド１３８は、多数のガス通気孔１３６ａを有する電極板１３６と、電極板１３６を着脱可能に支持する電極支持体１３７とを有する。電極支持体１３７の内部にはバッファ室１３５が設けられ、バッファ室１３５のガス導入口１３５ａにはガス供給配管１４２を介してガス供給源１４０が連結されている。これにより、ガス供給源１４０から処理容器１１０内に所望のガスが供給される。
（温度調整装置）
本実施形態に係る温度調整装置１は、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０に接続される。低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０は、流体を貯蔵可能な大型のタンクと循環ポンプを有し、各タンクへ貯蔵される流体の量は、常に温度の安定性を担保できる所定量を満たすことができる。
低温温調ユニット３０は、低温温調ユニット３０に設けられた熱交換部Ｍ１により第１温度に制御した第１温度調整媒体（以下、「低温ブライン」ともいう。）を低温タンクに貯蔵する。熱交換部Ｍ１は、ヒータ３１、熱交換器Ｈ／Ｅ（蒸発器３２）、熱交換器Ｈ／Ｅ（凝縮器３３）、膨張弁３４及び圧縮器３５を有する。低温温調ユニット３０は、第１温度調整媒体の温度を第１温度に制御する第１温度制御部の一例である。
高温温調ユニット４０は、高温温調ユニット４０に設けられた熱交換部Ｍ２により第１温度より高い第２温度に制御した第２温度調整媒体（以下、「高温ブライン」ともいう。）を高温タンクに貯蔵する。熱交換部Ｍ２は、ヒータ４１及び熱交換器Ｈ／Ｅ４２を有する。高温温調ユニット４０は、第２温度調整媒体の温度を第１温度よりも高い第２温度に制御する第２温度制御部の一例である。第１温度は、−３０℃以上に制御され、第２温度は、７０℃以下に制御される。本実施形態では、第１温度は１０℃、第２温度は７０℃に制御される。また、本実施形態では、低温ブライン及び高温ブラインにフッ素系不活性液体を使用するが他の液体を使用してもよい。
低温温調ユニット３０から出力された低温ブラインは流路Ｒ３を流れ、高温温調ユニット４０から出力された高温ブラインは流路Ｒ４を流れる。流路３、流路４及び入口流路１７１が交わる点には三方弁２１が設けられている。三方弁２１は、流路Ｒ３を流れる低温ブラインと流路Ｒ４を流れる高温ブラインとを切り替えて入口流路１７１へ流す。
載置台１１１の内部には載置台流路１７０が形成されている。載置台流路１７０には、三方弁２１による切り替えのタイミングに応じて低温ブライン又は高温ブラインが入口流路１７１から流入し、出口流路１７２へ流出する。このようにして、三方弁２１により載置台流路１７０に低温ブライン又は高温ブラインが切り替えて、流される。これにより、載置台流路１７０が冷却モード及び加熱モードの何れかで動作する。本実施形態では、載置台流路１７０は載置台１１１の内部に形成された流路であるが、これに限らない。例えば、載置台流路１７０は静電チャック１１２の内部に形成された流路であってもよい。
載置台流路１７０は、低温ブライン及び高温ブラインを循環させる循環経路に設けられる。循環経路には、ヒートポンプ構造１０と切替ユニット２０とが設けられる。循環経路は、低温温調ユニット３０、高温温調ユニット４０→流路Ｒ３、Ｒ４→（三方弁２１）→入口流路１７１→載置台流路１７０→出口流路１７２→（三方弁２２）→流路Ｒ１、Ｒ２→ヒートポンプ構造１０→低温温調ユニット３０、高温温調ユニット４０で示される。
出口流路１７２へ流出した低温ブライン及び高温ブラインは、三方弁２２により切り替えられ、流路Ｒ１又は流路Ｒ２を介して低温温調ユニット３０又は高温温調ユニット４０に戻される。なお、三方弁２１，２２及び流路Ｒ１〜Ｒ４の一部を形成する配管は、切替ユニットを構成する。このようにして温度調整装置１は、高温ブライン及び低温ブラインを切り替えて循環させることで載置台１１１及びウェハＷの温度を調整することができる。
しかしながら、三方弁２２による切り替え時に高温ブラインが低温温調ユニット３０側の流路Ｒ１に流れることがある。また、温度の切り替え時に低温ブラインが高温温調ユニット４０側の流路Ｒ２に流れることがある。この場合、高温ブラインが低温温調ユニット３０に戻ったり、低温ブラインが高温温調ユニット４０に戻ったりすることによる熱負荷から、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０の内部のブラインの温度が大きく変動する場合がある。これにより、各温調ユニットのブラインの温度を制御温度にするまでに長時間がかかり生産性が悪化したり、各温調ユニットのブラインの温度が制御温度に達しないといった課題が生じる。
そこで、本実施形態にかかる温度調整装置１は、ヒートポンプ構造１０を有する。ヒートポンプ構造１０は、低温ブラインが低温温調ユニット３０に戻る流路Ｒ１及び高温ブラインが高温温調ユニット４０に戻る流路Ｒ２に接続され、低温ブラインと高温ブラインとの間における熱の授受を行う。
詳細には、ヒートポンプ構造１０は、流路Ｒ１に蒸発器１２を有し、流路Ｒ２に凝縮器１３を有する。また、ヒートポンプ構造１０は、蒸発器１２、凝縮器１３、膨張弁１４及び圧縮器１５及びこれらを結ぶ配管を有する。
蒸発器１２は、外部から熱を吸収してフロンを蒸発させる機能を有する熱交換器である。凝縮器１３は、気体のフロンを液化させて熱を外部へ放出する機能を有する熱交換器である。膨張弁１４は、フロンを急激に膨張させることで、フロンを低温及び低圧にさせるように機能する。圧縮器１５は、フロンを圧縮し、フロンを高温及び高圧にさせるように機能する。
このようにして、流路Ｒ１を流れるフロンは、蒸発器１２で熱を吸収され、蒸発して気体になり圧縮器１５に吸い込まれ、高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３に送られる。そのフロンは、凝縮器１３において熱を放出して液体になり膨張弁１４で減圧されて蒸発器１２に戻る。
ヒートポンプ構造１０を使用しない場合、低温ブラインの温度制御をスムーズに行うためには低温温調ユニット３０の圧縮器３５から出力可能な最大電力量を大きくする必要がある。また、高温ブラインの温度制御をスムーズに行うためには高温温調ユニット４０のヒータ４１の容量を大きくする必要がある。この場合、圧縮器３５で吸収される熱は、冷却水へ放出され、利用されない。また、圧縮器３５の最大電力量及びヒータ４１の容量を大きくすると電力コストの上昇につながる。
これに対して、本実施形態にかかる温度調整装置１は、戻りの流路Ｒ１、Ｒ２にヒートポンプ構造１０を使用することで、蒸発器１２で吸収した熱を凝縮器１３で放出することにより、低温ブラインと高温ブラインとの熱の授受を行うことができる。
また、ヒートポンプ構造１０は、コントローラ１１を有する。コントローラ１１は、流路Ｒ１に設けらえた温度センサＳ１、Ｓ２及び流路Ｒ２に設けらえた温度センサＳ４、Ｓ５からそれぞれ温度Ｔ１、Ｔ２，Ｔ４，Ｔ５を取得する。また、コントローラ１１は、流路Ｒ３に取り付けられた温度センサＳ３から温度Ｔ３を取得し、流路Ｒ４に取り付けられた温度センサＳ６から温度Ｔ６を取得する。
コントローラ１１は温度制御部１１ａを有する。温度制御部１１ａは、プロセッサ等がから構成され、ヒートポンプ構造１０の各部を制御する。具体的には、温度制御部１１ａは、低温ブラインの温度が１０℃に維持されるように圧縮器１５及び膨張弁１４の調節を行う。また、温度制御部１１ａは、高温ブラインの温度が７０℃に維持されるように圧縮器１５及び膨張弁１４の調節を行う。この結果、消費電力を抑え、かつスムーズに低温ブライン及び高温ブラインの温度を制御することができ、生産性の向上を図ることができる。
このように、本実施形態にかかる温度調整装置１は、戻りの流路Ｒ１、Ｒ２にヒートポンプ構造１０を使用することで、蒸発器１２で吸収した熱を凝縮器１３で放出する。これにより、流路Ｒ１を流れる低温ブラインから流路Ｒ２を流れる高温ブラインへ効率的に熱の授受を行うことができる。これにより、圧縮器１５で使用される消費電力の３〜７倍の低温ブライン及び高温ブライン間の熱の授受が可能になる。
例えば、ヒートポンプ構造１０において蒸発行程→圧縮行程→凝縮行程→膨張行程が行われる。このとき、蒸発行程で作動媒体であるブラインに吸収される熱量をＱ１、凝縮行程でブラインから放出される熱量をＱ２、圧縮器からの入力エネルギーをＷとすると、次式（１）の関係が成り立つ。
Ｑ２＝Ｑ１＋Ｗ・・・（１）
ここで、次式（２）で求められる値を成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）と定義する。ヒートポンプ構造１０のＣＯＰの値は常に１よりも大きい値となる。
ＣＯＰ＝Ｑ２／Ｗ＝Ｑ２／（Ｑ２−Ｑ１）＝Ｔ２／（Ｔ２−Ｔ１）・・・（２）
ここで、Ｔ１は低温ブラインの温度、Ｔ２は高温ブラインの温度である。
式（２）から低温ブラインと高温ブラインとの温度差が小さい程、ＣＯＰがよいことがわかる。また、仕事Ｗは熱量に変換されるのではなく、熱を運ぶために用いられることから、ＣＯＰは必ず１よりも大きくなり、３〜７程度であるが、１０以上とすることも可能である。以上から、本実施形態によれば、圧縮器１５で使用される消費電力の３〜７倍の低温ブライン及び高温ブライン間の熱の授受が可能になる。
［ヒートポンプ構造の動作とのブライン温度］
次に、ヒートポンプ構造１０の具体的動作とブライン温度の一例について、図２〜図９を参照しながら説明する。前提として、載置台１１１の温度が１０℃に安定しているとき、図１の流路Ｒ３、入口流路１７１、載置台流路１７０、出口流路１７２及び流路Ｒ３の循環流路には、低温温調ユニット３０を介して低温ブラインが流れる。三方弁２１，２２により流路Ｒ４及び流路Ｒ２には高温ブラインが存在する閉回路となっている。
載置台１１１の温度を１０℃から７０℃に切り替えるとき、切替ユニット２０の三方弁２１，２２の開閉を制御する。本制御により、流路Ｒ４、入口流路１７１、載置台流路１７０、出口流路１７２及び流路Ｒ２の循環流路には、高温温調ユニット４０を介して高温ブラインが流れる。このとき、流路Ｒ３及び流路Ｒ１には低温ブラインが存在する閉回路となっている。
さらに、載置台１１１の温度を７０℃から１０℃に切り替えるとき、切替ユニット２０の三方弁２１，２２の開閉を制御する。本制御により、再び、流路Ｒ３、入口流路１７１、載置台流路１７０、出口流路１７２及び流路Ｒ３の循環流路には、低温温調ユニット３０を介して低温ブラインが流れる。このとき、流路Ｒ４及び流路Ｒ２には高温ブラインが存在する閉回路となっている。
（ヒートポンプ未使用時のブライン温度）
まず、本実施形態にかかるヒートポンプ構造１０を使用していない場合の低温ブライン及び高温ブラインの温度について説明する。図２は、本実施形態に係るヒートポンプ構造１０を使用しない場合の温度センサの検出値の一例を示す。温度センサＳ３は、低温温調ユニット３０から出力され、行きの流路Ｒ３を流れる低温ブラインの温度Ｔ３を検出する。低温温調ユニット３０は、低温ブラインを１０℃に制御している。温度センサＳ２は、低温温調ユニット３０への戻り流路Ｒ１を流れる低温ブラインの温度Ｔ２を検出する。
温度センサＳ６は、高温温調ユニット４０から出力され、行きの流路Ｒ４を流れる高温ブラインの温度Ｔ６を検出する。高温温調ユニット４０は、高温ブラインを７０℃に制御している。温度センサＳ５は、高温温調ユニット４０への戻り流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ５を検出する。
ヒートポンプ未使用時、図２の下図に示すように、時間の変化にかかわらず、温度Ｔ３は、低温ブラインの温度が低温温調ユニット３０の制御する１０℃を保持していることを示し、温度Ｔ６は、高温ブラインの温度が高温温調ユニット４０の制御する７０℃を保持していることを示す。
一方、載置台流路１７０を流れた後、低温温調ユニット３０への戻り流路Ｒ１を流れる低温ブラインの温度Ｔ２は、１２℃を示す。これは、高温ブラインの一部が低温温調ユニット３０への戻り流路Ｒ１に流れ込むことにより低温温調ユニット３０へ戻される低温ブラインの温度が制御温度よりも２℃上昇したことを示す。
同様に、載置台流路１７０を流れた後、高温温調ユニット４０への戻り流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ５は、６８℃を示す。これは、低温ブラインの一部が高温温調ユニット４０への戻り流路Ｒ２に流れ込むことにより高温温調ユニット４０へ戻される高温ブラインの温度が制御温度よりも２℃低下したことを示す。
（ヒートポンプ使用時のブライン温度）
次に、本実施形態にかかるヒートポンプ構造１０を使用している場合の低温ブライン及び高温ブラインの温度について説明する。図３は、本実施形態に係るヒートポンプ構造１０を使用した場合の温度センサの検出値の一例を示す。ヒートポンプ構造１０をオン（稼働）するまで、温度センサＳ２、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の温度は図２に示す温度を保持する。また、戻りの流路Ｒ１の蒸発器１２の前後に設けられた温度センサＳ１、Ｓ２が検出する温度Ｔ１、Ｔ２は、ヒートポンプ構造１０をオン（稼働）するまで同じ温度である。同様に、戻りの流路Ｒ２の凝縮器１３の前後に設けられた温度センサＳ４、Ｓ５が検出する温度Ｔ４、Ｔ５は、ヒートポンプ構造１０をオンするまで同じ温度である。
ヒートポンプ構造１０をオンすると、圧縮器１５がオン（稼働）し、第１バルブ（膨張弁１４）が開く。このとき、流路Ｒ１を流れる低温ブラインは、蒸発器１２で熱を吸収し、蒸発して気体になり圧縮器１５に吸い込まれ、高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３に送られる。低温ブラインは、凝縮器１３において熱を放出して液体になり膨張弁１４で減圧されて蒸発器１２に戻る。
これにより、蒸発器１２で熱を吸収された低温ブラインの温度は、温度センサＳ２の検出値が示すように、１０℃に低下する。これにより、１０℃の低温ブラインが低温温調ユニット３０に戻る。このため、低温温調ユニット３０における低温ブラインの温度制御をスムーズに行うことができる。
蒸発器１２で気体になった低温ブラインは、圧縮器１５にて高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３にて熱を放出して液体になる。放出した熱は、戻りの流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度を上昇させる。これにより、流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ５は、温度センサＳ５の検出値が示すように、７０℃に上昇する。これにより、７０℃の高温ブラインが高温温調ユニット４０に戻る。このため、高温温調ユニット４０における高温ブラインの温度制御をスムーズに行うことができる。
（切替時（低温→高温）のブライン温度）
次に、載置台１１１の温度を低温から高温へ切り替えるときの低温ブライン及び高温ブラインの温度について、本実施形態にかかるヒートポンプ構造１０をオフしている場合とオンしている場合とを比較して説明する。図４は、本実施形態に係るヒートポンプ構造１０をオフしているときの切替時（低温→高温）の温度の一例を示す。図５は、本実施形態に係るヒートポンプ構造１０をオンしているときの切替時（低温→高温）の温度の一例を示す。
まず、図４を参照すると、切替ユニット２０の三方弁２１、２２を切り替えて入口流路１７１を流れるブラインを１０℃の低温ブラインから７０℃の高温ブラインに切り替えたとき、高温ブラインが流れる流路Ｒ２，Ｒ４に低温ブラインの一部が流入する。ヒートポンプ構造１０がオフの場合、流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ４，Ｔ５は、下げ幅ΔＴ４、ΔＴ５のだけ低下した後徐々に元の温度６８℃に戻る。また、流路Ｒ４を流れる高温ブラインの温度Ｔ６は、下げ幅ΔＴ６だけ低下した後徐々に元の温度７０℃に戻る。このとき、高温温調ユニット４０は高温ブラインを７０℃に維持しようとする。この温度制御の効果により高温温調ユニット４０から出力され、流路Ｒ４を流れる高温ブラインの温度Ｔ６の切り替え時の下げ幅ΔＴ６は、流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ４，Ｔ５の切り替え時の下げ幅ΔＴ４、ΔＴ５よりも小さくなる。つまり、ΔＴ６＜ΔＴ４、ΔＴ６＜ΔＴ５となる。なお、１０℃の低温ブラインから７０℃の高温ブラインへの切り替え時には流路Ｒ１，Ｒ３に流れる低温ブラインの温度Ｔ１〜Ｔ３に変動はない。
次に、図５に示すように、切替時（低温→高温）にヒートポンプ構造１０がオンの場合の低温ブライン及び高温ブラインの温度について説明する。切り替え時、高温ブラインが流れる流路Ｒ２，Ｒ４に低温ブラインの一部が流入する。
しかしながら、図５では、ヒートポンプ構造１０がオンしているため、ヒートポンプ構造１０の熱交換器１３により熱を授受された後の流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ５の下げ幅ΔＴ５は、流路Ｒ２を流れる高温ブラインの温度Ｔ４の下げ幅ΔＴ４よりも小さくなり、徐々に元の温度に戻る。すなわち、ヒートポンプ構造１０がオンすると、圧縮器Ｃがオンし、膨張弁１４（以下、「第１バルブ１４」ともいう。）及び膨張弁１６（以下、「第２バルブ１６」ともいう。）が開く。流路Ｒ１を流れる低温ブラインの熱は、蒸発器１２で吸収され、蒸発して気体になり圧縮器１５に吸い込まれ、高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３に送られる。高温及び高圧のガスは、凝縮器１３において熱を放出して液体になり第１バルブ１４及び第２バルブ１６で減圧されて一部は蒸発器１２に戻り、一部は圧縮器１５に戻る。
これにより、図４のヒートポンプ構造１０がオフの場合よりも温度Ｔ５の下げ幅ΔＴ５が小さくなる。これにより、高温温調ユニット４０にかかる熱負荷が小さくなり、高温温調ユニット４０が出力する高温ブラインの温度Ｔ６は７０℃に維持される。以上から、本実施形態にかかるヒートポンプ構造１０を有する温度調整装置１によれば、高温ブラインと低温ブラインとの熱の授受により高温ブラインが加熱されることで、高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷を軽減することができる。
（切替時（高温→低温）のブライン温度）
次に、載置台１１１の温度を高温から低温へ切り替えるときの低温ブライン及び高温ブラインの温度について、本実施形態にかかるヒートポンプ構造１０をオフしている場合とオンしている場合とを比較して説明する。図６は、本実施形態に係るヒートポンプ構造１０をオフしているときの切替時（高温→低温）の温度の一例を示す。図７は、本実施形態に係るヒートポンプ構造１０をオンしているときの切替時（高温→低温）の温度の一例を示す。
まず、図６を参照すると、切替ユニット２０の三方弁２１、２２を切り替えて入口流路１７１を流れるブラインを７０℃の高温ブラインから１０℃の低温ブラインに切り替えたとき、低温ブラインが流れる流路Ｒ１，Ｒ３に高温ブラインの一部が流入する。ヒートポンプ構造１０がオフの場合、流路Ｒ１を流れる高温ブラインの温度Ｔ１，Ｔ２は、上げ幅ΔＴ１、ΔＴ２だけ上昇した後徐々に元の温度１２℃に戻る。また、流路Ｒ３を流れる低温ブラインの温度Ｔ３は、上げ幅ΔＴ３だけ上昇した後徐々に元の温度１０℃に戻る。このとき、低温温調ユニット３０は低温ブラインを１０℃に維持しようとする。この温度制御の効果により低温温調ユニット３０から出力され、流路Ｒ３を流れる低温ブラインの温度Ｔ３の切り替え時の上げ幅ΔＴ３は、流路Ｒ１を流れる低温ブラインの温度Ｔ１，Ｔ２の切り替え時の上げ幅ΔＴ１、ΔＴ２よりも小さくなる。つまり、ΔＴ３＜ΔＴ１、ΔＴ３＜ΔＴ２となる。なお、７０℃の高温ブラインから１０℃の低温ブラインへの切り替え時には流路Ｒ２，Ｒ４に流れる低温ブラインの温度Ｔ４〜Ｔ６に変動はない。
次に、図７に示すように、切替時（高温→低温）にヒートポンプ構造１０がオンの場合の低温ブライン及び高温ブラインの温度について説明する。切り替え時、低温ブラインが流れる流路Ｒ１，Ｒ３に高温ブラインの一部が流入する。
しかしながら、図７では、ヒートポンプ構造１０がオンしているため、ヒートポンプ構造１０の熱交換器１２により熱を授受された後の流路Ｒ１を流れる低温ブラインの温度Ｔ２の上げ幅ΔＴ２は、温度Ｔ１の上げ幅ΔＴ２よりも小さくなり、徐々に元の温度に戻る。すなわち、ヒートポンプ構造１０がオンすると、圧縮器Ｃがオンし、膨張弁である第１バルブ１４及び第３バルブ１７が開く。流路Ｒ１を流れる低温ブラインの熱は、蒸発器１２で吸収され、蒸発して気体になり圧縮器１５に吸い込まれ、高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３に送られる。高温及び高圧のガスは、凝縮器１３において熱を放出して液体になり第１バルブ１４及び第３バルブ１７で減圧されて一部は蒸発器１２に戻り、一部は凝縮器１３に流れる。
これにより、図６のヒートポンプ構造１０がオフの場合よりも温度Ｔ２の上げ幅ΔＴ２が小さくなる。これにより、低温温調ユニット３０にかかる熱負荷が小さくなり、低温温調ユニット３０が出力する低温ブラインの温度Ｔ３は１０℃に維持される。以上から、本実施形態にかかるヒートポンプ構造１０を有する温度調整装置１によれば、高温ブラインと低温ブラインとの熱の授受により低温ブラインが冷却されることで、低温温調ユニット３０に戻るブラインによる熱負荷を軽減することができる。
［冷却水の利用］
次に、上記に説明したヒートポンプ構造１０によっても、切替時（低温→高温）の高温ブラインの加熱能力、及び切替時（高温→低温）の低温ブラインの冷却能力が不足する場合がある。この場合、ヒートポンプ構造１０と冷却水（例えば水道水）との熱交換を行うことで、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷をより低減することができる。
図８（ａ）に示すヒートポンプ構造１０では、切替時（低温→高温）において、高温ブラインと低温ブラインとの熱の授受によって高温ブラインが加熱される。このとき、高温ブラインの加熱が不足すると、図５の温度Ｔ５の下げ幅ΔＴ５が大きくなり、高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷を十分に軽減できない状態になる。
この場合、図８（ｂ）に示すヒートポンプ構造１０では、第２バルブ１６に直列に蒸発器１８を設ける。蒸発器１８は、蒸発器１２に並列に接続され、冷却水から熱を吸収する（吸熱）。
蒸発器１２，１８にて液体から気体になり圧縮器１５に吸い込まれ、圧縮されたガスは、凝縮器１３に送られ、凝縮器１３において熱を放出して液体になり第１バルブ１４及び第２バルブ１６で減圧されて蒸発器１２又は蒸発器１８に送られる。
以上に説明したように、一実施形態にかかる図８（ｂ）に示すヒートポンプ構造１０によれば、熱交換器１８により冷却水から熱を吸収することで加熱能力を高め、高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷をより低減することができる。
同様にして、図９（ａ）に示すヒートポンプ構造１０では、切替時（高温→低温）において、高温ブラインと低温ブラインとの熱の授受によって低温ブラインが冷却される。このとき、低温ブラインの冷却が不足すると、図７の温度Ｔ２の上げ幅ΔＴ２が大きくなり、低温温調ユニット３０に戻るブラインによる熱負荷を十分に軽減できない状態になる。
この場合、図９（ｂ）に示すヒートポンプ構造１０では、第３バルブ１７に直列に凝縮器１９を設ける。凝縮器１９は、凝縮器１３に並列に接続され、冷却水へ熱を放出する（排熱）。
凝縮器１３，１９に送られた高温及び高圧の気体は、凝縮器１３，１９において熱を放出して気体から液体になり、第１バルブ１４及び第３バルブ１７で減圧されて蒸発器１２又は凝縮器１９に送られる。
以上に説明したように、一実施形態にかかる図９（ｂ）に示すヒートポンプ構造１０によれば、熱交換器１９により冷却水へ熱を放出することで冷却能力を高め、低温温調ユニット３０に戻るブラインによる熱負荷をより低減することができる。
［変形例］
最後に、本実施形態の変形例に係る温度調整装置１について、図１０を参照しながら説明する。図１０の本実施形態の変形例に係る温度調整装置１は、図１の本実施形態に係る温度調整装置１と比較して、２系統の循環流路を有する。一の循環経路は、低温温調ユニット３０、高温温調ユニット４０→流路Ｒ３ａ、Ｒ４ａ→（三方弁２１ａ）→入口流路１７１ａ→周縁部載置台流路１７０ａ→出口流路１７２ａ→（三方弁２２ａ）→流路Ｒ１ａ、Ｒ２ａ→ヒートポンプ構造１０ａ→低温温調ユニット３０、高温温調ユニット４０で示される。
他の循環経路は、低温温調ユニット３０、高温温調ユニット４０→流路Ｒ３ｂ、Ｒ４ｂ→（三方弁２１ｂ）→入口流路１７１ｂ→中央部載置台流路１７０ｂ→出口流路１７２ｂ→（三方弁２２ｂ）→流路Ｒ１ｂ、Ｒ２ｂ→ヒートポンプ構造１０ｂ→低温温調ユニット３０、高温温調ユニット４０で示される。
ヒートポンプ構造１０ａにおいて、配管を流れるフロンは、蒸発器１２ａで熱を吸収し、蒸発して気体になり圧縮器１５ａに吸い込まれ、高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３ａに送られる。そのブラインは、凝縮器１３ａにおいて熱を放出して液体になり膨張弁１４ａで減圧されて蒸発器１２ａに戻る。
同様に、ヒートポンプ構造１０ｂにおいて、配管を流れるフロンは、蒸発器１２ｂで熱を吸収し、蒸発して気体になり圧縮器１５ｂに吸い込まれ、高温及び高圧のガスに圧縮されて凝縮器１３ｂに送られる。そのブラインは、凝縮器１３ｂにおいて熱を放出して液体になり膨張弁１４ｂで減圧されて蒸発器１２ｂに戻る。
このように、変形例に係る温度調整装置１では、複数の循環経路を、載置台１１１の内部に分離して複数設けられた載置台流路１７０にそれぞれ接続する。これにより、変形例に係る温度調整装置１では、載置台１１１の周縁部と中央部とをそれぞれ異なる温度に制御することができる。これにより、ウェハＷの処理時の温度制御性を高めることができる。また、変形例に係る温度調整装置１では、２つのヒートポンプ構造１０ａ、１０ｂが設けられる。これにより、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷を更に軽減することができる。
なお、本変形例に係る温度調整装置１では、二つの循環経路が示されたが、循環経路の数は、これに限らず、三つ以上であってもよい。また、以上に説明した流路Ｒ１，Ｒ１ａ、Ｒ１ｂは、第１流路の一例である。流路Ｒ２，Ｒ２ａ、Ｒ２ｂは、第２流路の一例である。
以上、本実施形態及び変形例にかかる温度調整装置１によれば、異なる２以上の温調ユニットに戻るブラインによる熱負荷を軽減することができる。すなわち、本実施形態及び変形例にかかる温度調整装置１によれば、切り替え時にチラーに戻る高温ブラインと低温ブラインとの熱の授受を行うヒートポンプ構造を設けることにより、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷を低減させることができる。この結果、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０に戻るブラインによる熱負荷における電力コストが高くなることを回避できる。
また、低温ブラインと高温ブラインが混ざることで生じるヒートショックにより、低温温調ユニット３０及び高温温調ユニット４０の耐久性が悪くなることを回避できる。
以上、温度調整装置及び基板処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかる温度調整装置及び基板処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、本発明に係る温度調整装置及び基板処理装置は、図１に簡略して示した容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、その他の基板処理装置に適用可能である。その他の基板処理装置としては、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。
本明細書では、エッチング対象としてウェハＷ（半導体）について説明したが、被処理基板は、ウェハＷに限らず、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。
１：温度調整装置
１０：ヒートポンプ構造
１２：蒸発器（熱交換器）
１３：凝縮器（熱交換器）
１４：膨張弁(第１バルブ)
１５：圧縮器
１６：膨張弁(第２バルブ)
１７：膨張弁(第３バルブ)
１８：蒸発器（熱交換器）
１９：凝縮器（熱交換器）
２０：切替ユニット
２１，２２：三方弁
３０：低温温調ユニット
４０：高温温調ユニット
１００：基板処理装置
１１０：処理容器
１１１：載置台
１１２：静電チャック
１７０：載置台流路
１７１：入口流路
１７２：出口流路
Ｓ１〜Ｓ６：温度センサ
Ｒ１〜Ｒ４：流路

Claims (6)

  1. 被処理基板を載置する載置台と、
    第１温度調整媒体の温度を第１温度に制御する第１温度制御部と、
    第２温度調整媒体の温度を第１温度よりも高い第２温度に制御する第２温度制御部と、
    前記載置台の内部に設けられ、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体とが切り替えて流される載置台流路と、
    前記載置台流路から流出した前記第１温度調整媒体が流れる第１流路と、
    前記載置台流路から流出した前記第２温度調整媒体が流れる第２流路と、
    前記第１流路及び前記第２流路に接続され、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体との間における熱の授受を行うヒートポンプ構造と、
    を有する被処理基板の温度調整装置。
  2. 前記第１温度は−３０℃以上であり、前記第２温度は、７０℃以下である、
    請求項１に記載の温度調整装置。
  3. 前記ヒートポンプ構造は、前記第１流路に蒸発器を有し、前記第２流路に凝縮器を有する、
    請求項１又は２に記載の温度調整装置。
  4. 前記ヒートポンプ構造は、前記第１流路及び前記第２流路のそれぞれに設けられた温度センサにより得た温度に基づき温度制御を行う温度制御部を有する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度調整装置。
  5. 前記第１温度調整媒体が流れる複数の前記第１流路と、前記第２温度調整媒体が流れる複数の前記第２流路と、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体との間の熱の授受を行う複数の前記ヒートポンプ構造とを有し、
    複数の前記第１流路、複数の前記第２流路及び複数の前記ヒートポンプ構造は複数の系統の流路を構成し、前記複数の系統の流路は、前記載置台の内部に分離して複数設けられた載置台流路に接続される、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度調整装置。
  6. 被処理基板を処理する処理容器と、
    前記処理容器の内部に設けられ、被処理基板を載置する載置台と、
    第１温度調整媒体の温度を第１温度に制御する第１温度制御部と、
    第２温度調整媒体の温度を第１温度よりも高い第２温度に制御する第２温度制御部と、
    前記載置台の内部に設けられ、前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体とが切り替えて流れる載置台流路と、
    前記載置台流路から流出した前記第１温度調整媒体が流れる第１流路と、
    前記載置台流路から流出した前記第２温度調整媒体が流れる第２流路と、
    前記第１温度調整媒体と前記第２温度調整媒体との間の熱の授受を行うヒートポンプ構造と、
    を有する基板処理装置。
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