JP2022143369A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、上部電極の温度を効率よく調節可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】チャンバと、下部電極を含む基板支持部と、前記基板支持部の上方に配置される上部電極アセンブリであり、前記上部電極アセンブリは、上部電極プレートと、前記上部電極プレートの上方に配置され、前記上部電極プレートと熱的に接続される熱伝導性プレートと、前記熱伝導性プレート内に配置される冷媒流路と、前記熱伝導性プレートに熱的に接続され、前記冷媒流路と縦方向に重複しない位置に配置される少なくとも１つの加熱要素と、を含む、上部電極アセンブリと、前記上部電極プレートの温度を検知するように構成される温度センサと、前記温度センサで検知した温度に基づいて、前記上部電極プレートの温度を調整するように前記冷媒流路を流れる冷媒及び前記加熱要素のうち少なくとも一つを制御するように構成される制御部と、を備えるプラズマ処理装置。【選択図】図２

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

例えば、特許文献１には、容量結合型のプラズマ処理装置の上部電極を冷却することと当該上部電極の温度を短期間で上昇させることが可能な温度制御方法が開示されている。

特開２０１９－１９２７２８号公報

本開示は、上部電極の温度を効率よく調節可能なプラズマ処理装置を提供する。

本開示の一の態様によれば、チャンバと、前記チャンバ内に配置され、下部電極を含む基板支持部と、前記基板支持部の上方に配置される上部電極アセンブリであり、前記上部電極アセンブリは、上部電極プレートであり、前記上部電極プレートと前記基板支持部との間にプラズマ処理空間が形成される、上部電極プレートと、前記上部電極プレートの上方に配置され、前記上部電極プレートと熱的に接続される熱伝導性プレートと、前記熱伝導性プレート内に配置される冷媒流路と、前記熱伝導性プレートに熱的に接続され、前記冷媒流路と縦方向に重複しない位置に配置される少なくとも１つの加熱要素と、を含む、上部電極アセンブリと、前記上部電極プレートの温度を検知するように構成される温度センサと、前記温度センサで検知した温度に基づいて、前記上部電極プレートの温度を調整するように前記冷媒流路を流れる冷媒及び前記加熱要素のうち少なくとも一つを制御するように構成される制御部と、を備えるプラズマ処理装置が提供される。

本開示は、上部電極の温度を効率よく調節可能なプラズマ処理装置を提供する。

図１は、本実施形態に係るプラズマ処理システムの構成例を説明する図である。 図２は、本実施形態に係るプラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバの概略構成例を示す断面図である。 図３は、本実施形態に係るプラズマ処理システムのシャワーヘッドの解析モデルを示す断面図である。 図４は、本実施形態に係るプラズマ処理システムのシャワーヘッドの変形例を示す断面図である。 図５は、本実施形態に係るプラズマ処理システムのシャワーヘッドの変形例を示す断面図である。 図６は、本実施形態に係るプラズマ処理システムのシャワーヘッドの変形例を示す断面図である。 図７は、参考例のシャワーヘッドの構成例を示す断面図である。 図８は、参考例のシャワーヘッドの構成例を示す断面図である。 図９は、参考例のシャワーヘッドの構成例の温度特性を説明する図である。 図１０は、参考例のシャワーヘッドの構成例の温度特性を説明する図である。 図１１は、本実施形態に係るプラズマ処理システムのシャワーヘッドの温度特性を説明する図である。

＜プラズマ処理システム＞
以下に、プラズマ処理システムの構成例について説明する。

プラズマ処理システムは、容量結合プラズマ処理装置１及び制御部２を含む。容量結合プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０、ガス供給部２０、電源３０及び排気システム４０を含む。また、プラズマ処理装置１は、基板支持部１１及びガス導入部を含む。ガス導入部は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理チャンバ１０内に導入するように構成される。ガス導入部は、シャワーヘッド１３を含む。基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置される。シャワーヘッド１３は、基板支持部１１の上方に配置される。一実施形態において、シャワーヘッド１３は、プラズマ処理チャンバ１０の天部（ｃｅｉｌｉｎｇ）の少なくとも一部を構成する。プラズマ処理チャンバ１０は、シャワーヘッド１３、プラズマ処理チャンバ１０の側壁１０ａ及び基板支持部１１により規定されたプラズマ処理空間１０ｓを有する。プラズマ処理チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するための少なくとも１つのガス供給口と、プラズマ処理空間からガスを排出するための少なくとも１つのガス排出口とを有する。側壁１０ａは接地される。シャワーヘッド１３及び基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０筐体とは電気的に絶縁される。

基板支持部１１は、本体部１１１及びリングアセンブリ１１２を含む。本体部１１１は、基板（ウェハ）Ｗを支持するための中央領域（基板支持面）１１１ａと、リングアセンブリ１１２を支持するための環状領域（リング支持面）１１１ｂとを有する。本体部１１１の環状領域１１１ｂは、平面視で本体部１１１の中央領域１１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、本体部１１１の中央領域１１１ａ上に配置され、リングアセンブリ１１２は、本体部１１１の中央領域１１１ａ上の基板Ｗを囲むように本体部１１１の環状領域１１１ｂ上に配置される。一実施形態において、本体部１１１は、基台及び静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置される。静電チャックの上面は、基板支持面１１１ａを有する。リングアセンブリ１１２は、１又は複数の環状部材を含む。１又は複数の環状部材のうち少なくとも１つはエッジリングである。また、図示は省略するが、基板支持部１１は、静電チャック、リングアセンブリ１１２及び基板のうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。また、基板支持部１１は、基板Ｗの裏面と基板支持面１１１ａとの間に伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を含んでもよい。

シャワーヘッド１３は、ガス供給部２０からの少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓ内に導入するように構成される。シャワーヘッド１３は、少なくとも１つのガス供給口１３ａ、少なくとも１つのガス拡散室（ガス拡散空間）１３ｂ、及び複数のガス導入口１３ｃを有する。ガス供給口１３ａに供給された処理ガスは、ガス拡散室１３ｂを通過して複数のガス導入口１３ｃからプラズマ処理空間１０ｓ内に導入される。また、シャワーヘッド１３は、導電性部材を含む。シャワーヘッド１３の導電性部材は上部電極として機能する。なお、ガス導入部は、シャワーヘッド１３に加えて、側壁１０ａに形成された１又は複数の開口部に取り付けられる１又は複数のサイドガス注入部（ＳＧＩ：Ｓｉｄｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）を含んでもよい。シャワーヘッド１３の詳細については後述する。

ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２１及び少なくとも１つの流量制御器２２を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してシャワーヘッド１３に供給するように構成される。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスの流量を変調又はパルス化する１又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。

電源３０は、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ１０に結合されるＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電源３１を含む。ＲＦ電源３１は、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のような少なくとも１つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマが形成される。従って、ＲＦ電源３１は、プラズマ処理チャンバ１０において１又はそれ以上の処理ガスからプラズマを生成するように構成されるプラズマ生成部の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスＲＦ信号を基板支持部１１の導電性部材に供給することにより、基板Ｗにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオン成分を基板Ｗに引き込むことができる。

一実施形態において、ＲＦ電源３１は、第１のＲＦ生成部３１ａ及び第２のＲＦ生成部３１ｂを含む。第１のＲＦ生成部３１ａは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材（下部電極）及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材（後述する上部電極プレート１３１）に結合され、プラズマ生成用のソースＲＦ信号（ソースＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、第１の期間に第１のソースＲＦ電力を生成し、第１の期間とは異なる第２の期間に第１のソースＲＦ電力より低い第２のソースＲＦ電力を生成するように構成される。また、第１のＲＦ生成部３１ａは、第１の期間及び第２の期間とは異なる第３の期間に、第１のソースＲＦ電力より低く第２のソースＲＦ電力より高い第３のソースＲＦ電力を生成するように構成される。一実施形態において、ソースＲＦ信号は、１３ＭＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、異なる周波数を有する複数のソースＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のソースＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給される。第２のＲＦ生成部３１ｂは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材に結合され、バイアスＲＦ信号（バイアスＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、ソースＲＦ信号よりも低い周波数を有する。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第２のＲＦ生成部３１ｂは、異なる周波数を有する複数のバイアスＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のバイアスＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材に供給される。また、種々の実施形態において、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。

また、電源３０は、プラズマ処理チャンバ１０に結合されるＤＣ電源３２を含んでもよい。ＤＣ電源３２は、第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂを含む。一実施形態において、第１のＤＣ生成部３２ａは、基板支持部１１の導電性部材に接続され、第１のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第１のバイアスＤＣ信号は、基板支持部１１の導電性部材に印加される。一実施形態において、第１のＤＣ信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に印加されてもよい。一実施形態において、第２のＤＣ生成部３２ｂは、シャワーヘッド１３の導電性部材に接続され、第２のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第２のＤＣ信号は、シャワーヘッド１３の導電性部材に印加される。種々の実施形態において、第１及び第２のＤＣ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。なお、第１及び第２のＤＣ生成部３２ａ，３２ｂは、ＲＦ電源３１に加えて設けられてもよく、第１のＤＣ生成部３２ａが第２のＲＦ生成部３１ｂに代えて設けられてもよい。

排気システム４０は、例えばプラズマ処理チャンバ１０の底部に設けられたガス排出口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、圧力調整弁及び真空ポンプを含んでもよい。圧力調整弁によって、プラズマ処理空間１０ｓ内の圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

制御部２は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部２は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御部２の一部又は全てがプラズマ処理装置１に含まれてもよい。制御部２は、例えばコンピュータ２ａを含んでもよい。コンピュータ２ａは、例えば、処理部（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２ａ１、記憶部２ａ２、及び通信インターフェース２ａ３を含んでもよい。処理部２ａ１は、記憶部２ａ２に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部２ａ２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース２ａ３は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１との間で通信してもよい。

［プラズマ処理チャンバ１０］
最初に、本実施形態に係るプラズマ処理装置１のプラズマ処理チャンバ１０について詳細を説明する。図２は、本実施形態に係るプラズマ処理装置１のプラズマ処理チャンバ１０の概略構成を示す断面図である。

本実施形態に係るプラズマ処理チャンバ１０のシャワーヘッド（上部電極アセンブリ）１３は、上部電極プレート１３１と、ガス拡散プレート１３２と、熱伝導性プレート１３３と、を備える。一実施形態において、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０，基板支持部１１及び上部電極アセンブリ１３を備える。基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置され、下部電極を含む。上部電極アセンブリ１３は、基板支持部１１の上方に配置される。上部電極アセンブリ１３は、上部電極プレート１３１，熱伝導性プレート１３３及びガス拡散プレート１３２を含む。プラズマ処理空間は、上部電極プレート１３１と基板支持部１１との間に形成される。熱伝導性プレート１３３は、上部電極プレート１３１の上方に配置され、上部電極プレート１３１と熱的に接続される。ガス拡散プレート１３２は、ガス拡散空間１３ｂを有し、上部電極プレート１３１と熱伝導性プレート１３３との間に配置される。

上部電極プレート１３１の下面は、プラズマ処理空間１０ｓに露出される。上部電極プレート１３１は、プラズマ処理空間１０ｓ内のプラズマに接触する。上部電極プレート１３１のプラズマ処理空間１０ｓ側の面は天井面１３Ａとなる。プラズマ処理空間１０ｓでプラズマが発生すると、発生したプラズマの熱が上部電極プレート１３１に入熱する。上部電極プレート１３１に入熱した熱は、ガス拡散プレート１３２に伝熱される。上部電極プレート１３１は、例えば、シリコン又は石英により形成される。

ガス拡散プレート１３２は、上部電極プレート１３１の上側に設けられる。ガス拡散プレート１３２は、上部電極プレート１３１に接触する。ガス拡散プレート１３２は、プラズマ処理空間１０ｓから上部電極プレート１３１を介して入熱した熱を熱伝導性プレート１３３に伝熱する。ガス拡散プレート１３２は、ガス拡散室１３ｂを備える。ガス拡散プレート１３２は、例えば、アルミニウム等の金属又は合金により形成される。

熱伝導性プレート１３３は、プラズマ処理空間１０ｓから上部電極プレート１３１及びガス拡散プレート１３２を介して入熱した熱を吸収することによりガス拡散プレート１３２を介して上部電極プレート１３１を冷却する（抜熱）。熱伝導性プレート１３３は、ガス拡散プレート１３２の上側に設けられる。熱伝導性プレート１３３は、ガス拡散プレート１３２に接触する。熱伝導性プレート１３３は、例えば、アルミニウム等の金属又は合金により形成される。熱伝導性プレート１３３は、ガス拡散プレート１３２と異なる材料で形成されてもよく、ガス拡散プレート１３２と同じ材料で形成されてもよい。後者の場合、熱伝導性プレート１３３は、ガス拡散プレート１３２と一体に形成されてもよい。また、熱伝導性プレート１３３は、ガス拡散プレート１３２と接合することにより一体に形成されてもよい。熱伝導性プレート１３３は、１つ又は複数の冷媒流路１３３ａを内部に備える。各冷媒流路１３３ａは、冷媒導入口及び冷媒導出口を有する。冷媒流路１３３ａの冷媒導入口から冷媒が流入し、冷媒流路１３３ａの内部を流れて冷媒流路１３３ａの冷媒導出口から冷媒が流出する。ガス拡散プレート１３２を介して上部電極プレート１３１から熱伝導性プレート１３３に入熱した熱は、冷媒流路１３３ａを流れる冷媒により熱交換される。

冷媒導入口及び冷媒導出口は、冷媒温度制御装置５０に接続される。冷媒温度制御装置５０は、冷媒の温度を制御部２に設定された温度に制御する。

なお、熱伝導性プレート１３３は、例えば、１本の冷媒流路１３３ａを備えてもよいし、複数の冷媒流路１３３ａを備えてもよい。複数の冷媒流路１３３ａを備える場合には、複数の冷媒流路１３３ａのそれぞれは、冷媒導入口及び冷媒導出口を備える。従って、上部電極アセンブリ１３は、熱伝導性プレート１３３内に配置される１又は複数の冷媒流路１３３ａを含む。

シャワーヘッド１３は、ガス拡散プレート１３２と熱伝導性プレート１３３との間に少なくとも１つの加熱要素１５０を備える。少なくとも１つの加熱要素１５０は、冷媒流路１３３ａよりも低い位置に配置される。一実施形態において、少なくとも１つの加熱要素１５０は、熱伝導性プレート１３３の下面からガス拡散プレート１３２内に延在する。一実施形態において、少なくとも１つの加熱要素１５０は、ガス拡散プレート１３２内に配置され、熱伝導性プレート１３３の下面と物理的に接触している。加熱要素１５０は、ガス拡散プレート１３２と熱伝導性プレート１３３の境界に設けられる。加熱要素１５０は、フレキシブルヒータである。一実施形態において、加熱要素１５０は、シーズヒータであってもよい。ヒータの断面形状は、矩形である（フレキシブルスクエアヒータ）。一実施形態において、ヒータの断面形状は、円形、楕円形、星形等であってもよい。加熱要素１５０は、加熱駆動部６０に接続される。制御部２は、加熱駆動部６０を制御して加熱要素１５０に供給される電力（電流）を調整する。加熱要素１５０に供給される電力を調整することにより、加熱要素１５０の温度が制御される。

加熱要素１５０は、上から見て冷媒流路１３３ａと重複しない位置に設けられる。例えば、加熱要素１５０は、上から見て隣接する冷媒流路１３３ａの中間に設けられる。上から見て冷媒流路１３３ａと重複しない位置に設けることによって、上部電極プレート１３１に対する冷却経路と加熱経路とを互いに干渉することなく確保することができる。

なお、加熱要素１５０は、一本又は複数の電熱線が埋め込まれたシート又はプレートにより形成されてもよい。この場合、平面視で冷媒流路１３３ａと重複する部分にはシート又はプレートが形成されていない。すなわち、一本又は複数の電熱線が埋め込まれたシート又はプレートは、１又は複数の開口を有し、これらの開口は、平面視で冷媒流路１３３ａと重複している。複数の電熱線によって形成する場合には、複数の電熱線のそれぞれは、加熱駆動部６０に接続される。従って、上部電極アセンブリ１３は、少なくとも１つの加熱要素１５０を含む。加熱要素１５０は、熱伝導性プレート１３３に熱的に接続され、冷媒流路１３３ａと縦方向に重複しない位置に配置される。一実施形態において、上部電極アセンブリ１３は、複数の加熱要素１５０を含んでもよい。

上部電極プレート１３１には、温度センサ１６０が設けられる。温度センサ１６０は、制御部２に接続される。制御部２は、温度センサ１６０で測定した温度に基づいて、上部電極プレート１３１の温度を設定された温度に維持するように制御する。一実施形態において、プラズマ処理装置１は、上部電極プレート１３１の温度を検知するように構成される温度センサ１６０を備える。

制御部２は、ＲＦ電源３１からＲＦ電力を供給することにより、プラズマを発生させる。プラズマが発生するときにはシャワーヘッド１３にプラズマから多くの熱が入熱する。プラズマからの熱によりシャワーヘッド１３の温度が上昇する。例えば、ＲＦ電源３１が第１のＲＦ電力を供給するときは、制御部２は、冷媒温度制御装置５０により冷媒の温度を制御し、加熱駆動部６０による加熱要素１５０の制御を停止して、シャワーヘッド１３を冷却して、上部電極プレート１３１の温度を調整してもよい。従って、制御部２は、前述した第１の期間において、冷媒流路１３３ａを流れる冷媒を制御し、加熱要素１５０の制御を停止することにより、上部電極プレート１３１を冷却するように構成される。冷媒流路１３３ａを流れる冷媒は、冷媒の流量を変えることにより制御されてもよく、冷媒の温度を変えることにより制御されてもよい。また、冷媒は、冷媒の流量及び温度の両方を変えることにより制御されてもよい。加熱要素１５０の温度は、加熱要素１５０を流れる電流を変えることにより制御される。加熱要素１５０の制御の停止は、加熱要素１５０を流れる電流をゼロ又はほぼゼロにすることにより行われる。一実施形態において、制御部２は、温度センサ１６０で検知した温度に基づいて、上部電極プレート１３１の温度を調整するように冷媒流路１３３ａを流れる冷媒及び加熱要素１５０のうち少なくとも一つを制御するように構成される。一実施形態において、制御部２は、上部電極プレート１３１を設定温度に維持するように冷媒流路１３３ａを流れる冷媒及び加熱要素１５０のうち少なくとも一つを制御するように構成される。上部電極アセンブリ１３が複数の冷媒流路１３３ａを含む場合、複数の冷媒流路１３３ａの全てを流れる冷媒の温度及び／又は流量が制御されてもよく、複数の冷媒流路１３３ａのうち一部を流れる冷媒の温度及び／又は流量が制御されてもよい。また、上部電極アセンブリ１３が複数の加熱要素１５０を含む場合、複数の加熱要素１５０の全てが制御されてもよく、複数の加熱要素１５０のうち一部が制御されてもよい。

また、制御部２は、ＲＦ電源３１から供給されるＲＦ電力が低い場合又はプラズマが発生していない場合は、シャワーヘッド１３の温度が低下する。例えば、ＲＦ電源３１が第１のＲＦ電力より低い第２のＲＦ電力を供給するときは、制御部２は、冷媒温度制御装置５０の制御を停止し、加熱駆動部６０により加熱要素１５０の温度を制御して、シャワーヘッド１３を加熱して、上部電極プレート１３１の温度を調整してもよい。従って、制御部２は、前述した第２の期間において、上部電極プレート１３１を設定温度に維持するように、冷媒流路１３３ａを流れる冷媒の制御を停止し、加熱要素１５０を制御することにより、上部電極プレート１３１を加熱するように構成される。冷媒の制御の停止は、冷媒流路１３３ａを流れる冷媒の流量をゼロ又はほぼゼロにすることにより行われてもよく、上部電極プレート１３１の温度制御に関与しない温度又は流量の冷媒を冷媒流路１３３ａに流すことにより行われてもよい。例えば、冷媒の制御の停止は、加熱要素１５０からの熱の吸収量を最小限に抑えるために冷媒を最小流量に制御することを含む。すなわち、上部電極プレート１３１の加熱効率を上げることができる。

更に、例えば、ＲＦ電源３１が第１のＲＦ電力より低く第２のＲＦ電力より高い第３のＲＦ電力を供給するときは、制御部２は、冷媒温度制御装置５０により冷媒の温度を制御し、加熱駆動部６０により加熱要素１５０の温度を制御して、シャワーヘッド１３の冷却と加熱を同時に行って、上部電極プレート１３１の温度を調整してもよい。従って、制御部２は、前述した第３の期間において、冷媒流路１３３ａを流れる冷媒及び加熱要素１５０の両方を制御することにより、上部電極プレート１３１を設定温度に維持するように構成される。

なお、ＲＦ電源３１はＲＦ電源の一例、シャワーヘッド１３は上部電極アセンブリの一例である。

本実施形態のシャワーヘッド１３の効果について説明する。加熱要素１５０と、熱伝導性プレート１３３と、位置関係について、温度の影響について調べる。

図３は、本実施形態のシャワーヘッド１３の解析モデルについて説明する断面図である。シャワーヘッド１３は、ガス拡散プレート１３２の熱伝導性プレート１３３側に加熱要素１５０を備える。なお、シャワーヘッド１３の解析モデルは、軸ＡＸで回転対称とする。

本解析では、上部電極プレート１３１はシリコン、ガス拡散プレート１３２及び熱伝導性プレート１３３はアルミニウム、加熱要素１５０はステンレス鋼とした。上部電極プレート１３１の面Ｓ１には、プラズマを発生していないときは熱の流入なしする。また、上部電極プレート１３１の面Ｓ１には、プラズマが発生しているときは、１５ｋＷの熱が流入するとする。また、熱伝導性プレート１３３の大気と接する面Ｓ２については、大気の温度を２５℃として、境界における熱伝達率を１０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とする。面Ｓ３は、断熱面とする。

また、上部電極プレート１３１とガス拡散プレート１３２との境界Ｂ１及びガス拡散プレート１３２と熱伝導性プレート１３３との境界Ｂ２における熱抵抗を０．０００８Ｋ・ｍ^２／Ｗとする。

更に、熱伝導性プレート１３３での冷却を模擬するために、冷媒流路１３３ａを流れる冷媒の温度を３５℃とし、熱伝達率を１００から６００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）で変化させる。

更にまた、加熱要素１５０での加熱を模擬するために、加熱要素１５０から、１から２５００Ｗの熱を発生させる。

次に、比較を行う参考例について説明する。図７は、参考例のシャワーヘッド１３ｘ１を示す解析モデルについて説明する断面図である。図８は、参考例のシャワーヘッド１３ｘ２を示す解析モデルについて説明する断面図である。参考例のシャワーヘッド１３ｘ１は、熱伝導性プレート１３３の上面の全面に加熱シート１５０ｘを備える。また、参考例のシャワーヘッド１３ｘ２は、熱伝導性プレート１３３のガス拡散プレート１３２側の面の全面に加熱シート１５０ｘを備える。

シャワーヘッド１３の加熱冷却性能と、参考例のシャワーヘッド１３ｘ１及びシャワーヘッド１３ｘ２の加熱冷却性能について説明する。

最初に、熱伝導性プレート１３３のいずれか一方の面に加熱シート１５０ｘを備える場合について説明する。

図９は、参考例のシャワーヘッド１３ｘ１の加熱冷却性能について定性的に説明する図である。縦軸は、上部電極プレート１３１の温度を示す。横軸は、熱伝導性プレート１３３による冷却と、加熱シート１５０ｘによる加熱との比率を表す（加熱／冷却比率）。横軸は、左側にいくほど加熱に対して冷却の比率が高いことを表し、右側にいくほど冷却に対して加熱の比率が高いことを示す。

また、線Ｌｐｈｉｇｈは、ＲＦ電源３１から供給されるＲＦ電力が高いときの上部電極プレート１３１の温度を示す。また、線Ｌｐｌｏｗは、ＲＦ電源３１から供給されるＲＦ電力が低いときの上部電極プレート１３１の温度を示す。

シャワーヘッド１３ｘ１は、下から順に、上部電極プレート１３１、ガス拡散プレート１３２、熱伝導性プレート１３３、及び加熱シート１５０ｘを備える。加熱シート１５０ｘは、１又は複数の電熱線を内蔵している。図９に示すように、シャワーヘッド１３ｘ１は、線Ｌｐｈｉｇｈにおける温度制御範囲の下限値と線Ｌｐｌｏｗにおける温度制御範囲の上限値との間の範囲（温度制御不可能範囲）が比較的広い。これは、加熱シート１５０ｘからの熱が熱伝導性プレート１３３内の冷媒によって吸収されてしまうためである。すなわち、参考例のシャワーヘッド１３ｘ１においては、加熱シート１５０ｘから上部電極プレート１３１への熱伝導が熱伝導性プレート１３３内の冷媒によって阻害される。これにより、線Ｌｐｌｏｗにおける温度制御範囲の上限値を上げることが困難となる。

図１０は、参考例のシャワーヘッド１３ｘ２の加熱冷却性能について定性的に説明する図である。定義等は、図９と同じである。

シャワーヘッド１３ｘ２は、下から順に、上部電極プレート１３１、ガス拡散プレート１３２、加熱シート１５０ｘ、及び熱伝導性プレート１３３を備える。図１０に示すように、シャワーヘッド１３ｘ２は、線Ｌｐｈｉｇｈにおける温度制御範囲の下限値と線Ｌｐｌｏｗにおける温度制御範囲の上限値との間の範囲（温度制御不可能範囲）が比較的広い。これは、加熱シート１５０ｘが上部電極プレート１３１から熱伝導性プレート１３３までの伝熱経路の抵抗となってしまうためである、すなわち、参考例のシャワーヘッド１３ｘ２においては、上部電極プレート１３１から熱伝導性プレート１３３内の冷媒への熱伝導が加熱シート１５０ｘによって阻害される。これにより、線Ｌｐｈｉｇｈにおける温度制御範囲の下限値を下げることが困難となる。

図１１は、本実施形態のシャワーヘッド１３の加熱冷却性能について定性的に説明する図である。定義等は、図９と同じである。本実施形態のシャワーヘッド１３では、加熱要素１５０は上から見て冷媒流路１３３ａに重複しない位置に設けられる。図１１に示すように、シャワーヘッド１３は、線Ｌｐｈｉｇｈにおける温度制御範囲の下限値と線Ｌｐｌｏｗにおける温度制御範囲の上限値との間の範囲（温度制御不可能範囲）が参考例のシャワーヘッド１３ｘ１，１３ｘ２よりも狭い。これは、少なくとも１つの加熱要素１５０から上部電極プレート１３１への伝熱経路と、上部電極プレート１３１から熱伝導性プレート１３３内の冷媒までの伝熱経路との両方が十分確保されるためである。これにより、伝熱経路内の熱抵抗を最小限に抑えることができる。したがって、本実施形態のシャワーヘッド１３では、参考例のシャワーヘッド１３ｘ１，１３ｘ２よりも温度制御不可能範囲が狭くなる。即ち、上部電極プレート１３１の温度調節について制御性が向上する。この結果は、シミュレーション解析結果において同じ傾向を示した。したがって、加熱要素１５０は、熱伝導性プレート１３３に対して熱抵抗となりにくい。すなわち、熱伝導性プレート１３３による冷却と加熱要素１５０による加熱をバランスよく行うことができる。

以上のように、本実施形態のシャワーヘッド１３により、上部電極プレート１３１に対する冷却経路と加熱経路との間の干渉を最小限にすることができる。

＜作用・効果＞
本実施形態のプラズマ処理装置１のシャワーヘッド１３では、加熱要素１５０が上から見て冷媒流路１３３ａと重複しない位置に設けられる。一方、参考例のシャワーヘッド１３ｘ１及びシャワーヘッド１３ｘ２では、加熱シート１５０ｘが熱伝導性プレート１３３のいずれか一方の全面に設けられる。

加熱要素１５０及び加熱シート１５０ｘは、ガス拡散プレート１３２及び熱伝導性プレート１３３を構成するアルミニウムと比較すると、熱伝導率が低い。また、熱伝導性プレート１３３において、冷媒流路１３３ａの部分は、熱伝導性プレート１３３を構成するアルミニウムと比較して熱伝達率が低い。

本実施形態に係るシャワーヘッド１３は、加熱要素１５０が上から見て熱伝導性プレート１３３の冷媒流路１３３ａと重複しない位置に設けられる。したがって、加熱要素１５０と冷媒流路１３３ａとが、互いに熱の伝導を阻害することを防止して、上部電極プレート１３１に対して効率よく冷却と加熱を行うことができる。すなわち、プラズマ処理装置１は、加熱経路と冷却経路とを確保することにより上部電極プレート１３１の温度を効率よく調節できる。これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、上部電極プレート１３１に対して効率よく冷却と加熱を行うことにより、上部電極プレート１３１の温度を高速に調整できる。

＜変形例＞
加熱要素１５０の位置については、上から見て冷媒流路１３３ａと重複しない位置であれば、シャワーヘッド１３における加熱要素１５０の位置に限らない。

図４は、本実施形態のシャワーヘッド１３の変形例であるシャワーヘッド１１３について説明する断面図である。シャワーヘッド１１３のように、加熱要素１５０は、熱伝導性プレート１３３内に配置され、ガス拡散プレート１３２に接触してもよい。加熱要素１５０は、冷媒流路１３３ａより低い位置に配置される。

図５は、本実施形態のシャワーヘッド１３の変形例であるシャワーヘッド２１３について説明する断面図である。シャワーヘッド２１３のように、加熱要素１５０は、熱伝導性プレート１３３内の、冷媒流路１３３ａより高い位置に配置される。従って、図４，５の例では、少なくとも１つの加熱要素１５０は、熱伝導性プレート１３３内に配置される。図４の例では、少なくとも１つの加熱要素１５０は、冷媒流路１３３ａよりも低い位置に配置される。図５の例では、少なくとも１つの加熱要素１５０は、冷媒流路１３３ａよりも高い位置に配置される。なお、少なくとも１つの加熱要素１５０は、冷媒流路１３３ａと同じ高さに配置されてもよい。

図６は、本実施形態のシャワーヘッド１３の変形例であるシャワーヘッド３１３について説明する断面図である。シャワーヘッド３１３のように、少なくとも１つの加熱要素は、熱伝導性プレート１３３内に配置された第１の加熱要素１５０ａ及び第２の加熱要素１５０ｂを含む。第１の加熱要素１５０ａは、冷媒流路１３３ａよりも低い位置に配置される。第２の加熱要素１５０ｂは、冷媒流路１３３ａよりも高い位置に配置される。

なお、上部電極プレート１３１とガス拡散プレート１３２についても、シャワーヘッド１３のように別の部材にする場合に限らず、例えば、上部電極プレート１３１とガス拡散プレート１３２を一体に形成してもよい。

今回開示された本実施形態に係るプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で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、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

１ プラズマ処理装置
２ 制御部
１０ プラズマ処理チャンバ
１３、１１３、２１３、３１３ シャワーヘッド
３１ ＲＦ電源
１３１ 上部電極プレート
１３２ ガス拡散プレート
１３３ 熱伝導性プレート
１３３ａ 冷媒流路
１５０ 加熱要素
１６０ 温度センサ
Ｗ 基板

Claims (11)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に配置され、下部電極を含む基板支持部と、
   前記基板支持部の上方に配置される上部電極アセンブリであり、前記上部電極アセンブリは、
   上部電極プレートであり、前記上部電極プレートと前記基板支持部との間にプラズマ処理空間が形成される、上部電極プレートと、
   前記上部電極プレートの上方に配置され、前記上部電極プレートと熱的に接続される熱伝導性プレートと、
   前記熱伝導性プレート内に配置される冷媒流路と、
   前記熱伝導性プレートに熱的に接続され、前記冷媒流路と縦方向に重複しない位置に配置される少なくとも１つの加熱要素と、
   を含む、上部電極アセンブリと、
   前記上部電極プレートの温度を検知するように構成される温度センサと、
   前記温度センサで検知した温度に基づいて、前記上部電極プレートの温度を調整するように前記冷媒流路を流れる冷媒及び前記加熱要素のうち少なくとも一つを制御するように構成される制御部と、
   を備える、プラズマ処理装置。
2. 前記制御部は、前記上部電極プレートを設定温度に維持するように前記冷媒流路を流れる冷媒及び前記加熱要素のうち少なくとも一つを制御するように構成される、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記上部電極アセンブリは、前記上部電極プレートと前記熱伝導性プレートとの間に配置され、ガス拡散空間を有するガス拡散プレートをさらに含む、
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記ガス拡散プレートは、前記熱伝導性プレートと一体に形成される、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記少なくとも１つの加熱要素は、前記熱伝導性プレート内に配置される、
   請求項１～４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記少なくとも１つの加熱要素は、前記熱伝導性プレートの下面から前記ガス拡散プレート内に延在する、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記少なくとも１つの加熱要素は、前記冷媒流路よりも低い位置に配置される、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記少なくとも１つの加熱要素は、前記冷媒流路よりも高い位置に配置される、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記少なくとも１つの加熱要素は、第１の加熱要素及び第２の加熱要素を含み、
   前記第１の加熱要素は、前記冷媒流路よりも低い位置に配置され、
   前記第２の加熱要素は、前記冷媒流路よりも高い位置に配置される、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. チャンバと、
    前記チャンバ内に配置され、下部電極を含む基板支持部と、
    前記基板支持部の上方に配置される上部電極アセンブリであり、前記上部電極アセンブリは、
    上部電極プレートであり、前記上部電極プレートと前記基板支持部との間にプラズマ処理空間が形成される、上部電極プレートと、
    前記上部電極プレートの上方に配置され、前記上部電極プレートと熱的に接続される熱伝導性プレートと、
    前記熱伝導性プレート内に配置される冷媒流路と、
    前記熱伝導性プレートに熱的に接続され、前記冷媒流路と縦方向に重複しない位置に配置される少なくとも１つの加熱要素と、
    を含む、上部電極アセンブリと、
    前記上部電極プレート又は前記下部電極に結合され、第１の期間に第１のＲＦ電力を生成し、第２の期間に前記第１のＲＦ電力より低い第２のＲＦ電力を生成するように構成されるＲＦ生成部と、
    前記上部電極プレートの温度を調整するように前記冷媒流路を流れる冷媒及び前記加熱要素のうち少なくとも一つを制御するように構成される制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第１の期間において、前記冷媒を制御し、前記加熱要素の制御を停止することにより、前記上部電極プレートを冷却するように構成され、
    前記第２の期間において、前記冷媒の制御を停止し、前記加熱要素を制御することにより、前記上部電極プレートを加熱するように構成される、
    プラズマ処理装置。
11. 前記ＲＦ生成部は、第３の期間に、前記第１のＲＦ電力より低く前記第２のＲＦ電力より高い第３のＲＦ電力を生成するように構成され、
    前記制御部は、
    前記第３の期間において、前記冷媒及び前記加熱要素の両方を制御することにより、前記上部電極プレートを設定温度に維持するように構成される、
    請求項１０に記載のプラズマ処理装置。

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