JP5250490B2 - プラズマ処理装置及びそのメンテナンス方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びそのメンテナンス方法に係り、特に、試料台が温度制御装置を備えウエハなどの試料に微細加工を施すのに適したプラズマ処理装置とそのメンテナンス方法に関する。

半導体デバイスの微細化トレンドに伴い、試料のエッチング処理に求められる加工精度は年々厳しくなっている。プラズマ処理装置にてウエハ表面の微細パターンに高精度な加工を施すためには、エッチング中のウエハ表面の温度管理が重要である。しかし、ウエハの大面積化やエッチングレートの向上の要求から、プラズマ処理装置に印加される高周波電力は増加傾向にあり、特に絶縁膜のエッチングにおいてはキロワットオーダの大電力が印加され始めている。大電力の印加により、ウエハ表面へのイオンの衝撃エネルギが増加し、エッチング中におけるウエハの過度な温度上昇が問題となっている。また、形状精度の更なる向上の要求から、プロセス中においてウエハの温度を高速かつ精密に制御できる手段が求められている。

プラズマ処理装置内においてウエハの表面温度を制御するためには、ウエハの裏面と熱伝達媒体を介して接する試料台（静電吸着電極）の表面温度を制御すればよい。従来の試料台では内部に冷媒の流路を形成し、流路内に液体冷媒を流すことにより試料台表面の温度を制御していた。液体冷媒は冷媒供給装置内の冷却装置または加熱装置により目標温度に調節された後に試料台流路内に供給されている。このような冷媒供給装置では液体冷媒を一度タンクに溜めて温度調節後に送り出す構造であり、また液体冷媒自体の熱容量が大きいため、ウエハの表面温度を一定に保つ際には有効である。しかし、温度レスポンスが悪く、高速温度制御が困難であり、また熱交換効率が低い。そのため、近年の大入熱化に伴い装置が大型化し、またエッチングの進行に応じてウエハ表面の温度を最適にコントロールすることが困難であった。

このようなことから、冷媒循環系が冷媒を高圧化する圧縮機と、高圧化された冷媒を凝縮する凝縮器と、冷媒を膨張させる膨張弁を試料台に設置し、試料台の冷媒流路内にて冷媒を蒸発させて冷却を行う直接膨張式の冷媒供給装置（以下直膨式冷却サイクル）が、例えば特許文献１や特許文献２により提案されている。直膨式冷却サイクルでは冷媒の蒸発潜熱を利用するため冷却効率が高く、また冷媒の蒸発温度が圧力によって高速に制御可能である。上記より、試料台への冷媒供給装置として直膨式を採用することによって、大入熱エッチング処理時における半導体ウエハの温度を、高効率かつ高速に制御することができる。

特開２００５−８９８６４号公報 特開２００３−１７４０１６号公報

直膨式冷却サイクルは、冷媒が液体から気体に蒸発する際の潜熱を利用して冷却を行う。
そのため、使用される冷媒は沸点温度の低いものが採用され、例えばＲ４１０ａ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒では沸点温度は−５１．４℃（大気圧：１０１．３ＫＰａ下において）である。冷媒は大気中に開放されると蒸発するため、冷却サイクルのメンテナンスを行なう際には、事前に冷却サイクル内の冷媒を回収することが必要となる。

なお、冷却サイクル内のメンテナンスとしては、試料台の交換作業が主となる。プラズマ処理装置では、ウエハをエッチング処理した後、クリーニングを目的として試料台のウエハ載置面をプラズマに曝露する工程が必要となる。これにより、試料台表面に形成された静電吸着用の誘電体膜が経時変化（表面粗さおよび組成などが変化）し、ウエハの吸着性能に変化が生じる。静電吸着性能はウエハと試料台間の伝熱量に影響し、プラズマ処理中のウエハ温度が設定値から乖離することや、面内温度均一性が劣化するなどの問題につながる。このため、定期的に試料台の交換作業が必要である。

ここで用語の定義について説明する。本発明の冷却サイクルは蒸発器（試料台内の冷媒流路）、圧縮機、凝縮器、膨張弁から成る。このうち、圧縮機、凝縮器、膨張弁をまとめて温調機と表現する。つまり、真空処理室内の試料台と真空処理室外の温調機によって冷却サイクルが構成されている。

従来の冷却サイクル内のメンテナンス方法では、回収後の冷媒をそのまま廃棄することが一般的であった。

しかし、冷却サイクルは冷媒の充填量によって冷却性能が変化するため、冷媒をすべて回収（廃棄）してメンテナンスを行なった後は、再充填する際に冷媒量を調整し、性能の確認作業が必要となる。装置を再稼動させるまでのダウンタイムを短縮させるため、サイクル内の冷媒を入れ替えずにメンテナンスを行なうことが望まれる。また、冷媒をすべて入れ替える場合にはメンテナンスのコストも高くなり、更に直膨式に使用される冷媒は地球温暖化係数が高いことから環境への負荷も大きくなり、冷媒の廃棄量を低減したメンテナンス方法が求められている。

上記問題に対して特許文献１では、冷媒配管に予備タンクを接続すると共に、試料台への冷媒供給路、および冷媒排出路にメンテナンスバルブを設置している。これにより、試料台メンテナンス時、試料台の冷媒配管内にある冷媒は全て予備タンクへ回収され、その後、試料台の冷媒配管を大気圧にして試料台を交換する。

また、特許文献２でも、試料台への冷媒供給路、および冷媒排出路にメンテナンスバルブを設置している。これにより、試料台メンテナンス時の冷媒廃棄量は試料台流路内を経由したメンテナンスバルブ間に存在する冷媒量だけに止めることができる。

しかし、上記従来例の方法でも冷媒の廃棄は不可欠である。
まず、特許文献１において、試料台のメンテナンスを行うために、圧縮機の吐出側の冷媒配管に接続された予備タンクを必要としている。この予備タンクは、温調ユニットとして本来の動作を行うときに、冷媒配管を循環する冷媒の量を一定にする目的で設けられたものである。試料台メンテナンス時に冷媒配管内にある冷媒をどのようにして全て予備タンクへ回収し、再利用するかについて、詳細な構成は開示されていない。また、冷凍サイクルを構成する圧縮機、凝縮器、膨張弁のいずれかをメンテナンスすることについては、配慮されていない。

特許文献２の方法においては、温調機内のメンテナンス時にはサイクル内の冷媒をすべて廃棄しなければならない。また真空排気後にサイクル内をＮ２でパージする際にはＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）を一度停止させる必要があり、メンテナンス後の装置立上げに時間が掛かる恐れがある。また、冷凍サイクルを構成する圧縮機、凝縮器、膨張弁を個別にメンテナンスすることについては、配慮されていない。

本発明の目的は、直膨式冷却サイクルのメンテナンス時に生じる冷媒排出量を削減することで、装置のダウンタイム、メンテナンスコスト、環境負荷を低減したプラズマ処理装置およびそのメンテナンス方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、試料台以外の構成機器もメンテナンス可能とし、かつ、サイクル内の冷媒充填量を任意に制御可能な半導体製造装置用試料台の温度制御装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記試料台に設けられた冷媒流路と前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁とがこの順で連結されて冷媒が循環し、前記試料台を蒸発器として動作させる冷却サイクルが構成されており、前記圧縮機と前記冷媒流路との間に配置された逆流防止弁と、前記逆流防止弁を制御する制御装置とを備え、前記冷却サイクルは、前記膨張弁から前記蒸発器を経て前記逆流防止弁に至る前記冷媒流路の第一の流路領域と、前記逆流防止弁から前記圧縮機及び前記凝縮器を経て前記膨張弁に至る第二の流路領域とに区画可能に構成され、前記試料台のメンテナンスの際に、前記冷却サイクルの冷媒の循環を停止した状態で前記第一の流路領域に存在する冷媒を前記第二の流路領域に貯蔵し、前記メンテナンス終了後、前記貯蔵された冷媒を前記冷却サイクルで再利用可能な状態にすることを特徴とする。

本発明によれば、試料台メンテナンス時に冷媒をサイクル内から排出させずに作業を実施可能となる。また、温調機のメンテナンス時においても冷媒の排出量を従来方式（全排気）に比べて大幅に低減することができる。これにより、装置のダウンタイム、メンテナンスコスト、環境負荷を低減することができる。

本発明の第一の実施例にかかる半導体製造装置用試料台の温度制御装置の構成を示す概略図。 第一の実施例における試料台メンテナンスのフローチャート。 第一の実施例における試料台メンテナンス時の圧力変化を示す図。 本発明に採用されているシール構造の概略図。 本発明の第二の実施例にかかる半導体製造装置用試料台の温度制御装置の構成を示す概略図。 第二の実施例における温調機メンテナンスのフローチャート。 本発明の第三の実施例にかかる半導体製造装置用試料台の温度制御装置の構成を示す概略図。

本発明のプラズマ処理装置は、真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器として、前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁を備える冷却サイクルが構成されており、前記圧縮機の冷媒流入口近傍に逆流防止弁が設置され、前記試料台のメンテナンス時に、蒸発器内から回収した冷媒を凝縮器を含む膨張弁から逆流防止弁の領域に一時貯蔵することで、サイクル内の冷媒量を変化させずにメンテナンスが可能なことを特徴とする。

さらに本発明では、プラズマ処理装置において、試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器として、真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁を備える冷却サイクルが構成されており、前記冷却サイクル内に冷媒貯蔵タンク、冷媒供給弁、冷媒排出弁が設置され、前記冷却サイクルのメンテナンス時に、サイクル内から回収した冷媒を再利用できることを特徴とする。

さらに本発明では、プラズマ処理装置において、試料台に設けられた冷媒流路を蒸発器として、真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁を備える冷却サイクルが構成されており、前記冷却サイクルに冷媒貯蔵タンクおよび真空排気手段が設置され、前記冷却サイクルのメンテナンス時に、サイクル内から回収した冷媒を再利用できることを特徴とする。

本発明の実施形態を、以下、図面を参照して説明する。

本発明の第一の実施例を、図１〜４を参照しながら説明する。
図１は、本発明の試料台メンテナンス機能を備えた半導体製造装置の直膨式冷却サイクルのシステム構成を示す模式図である。半導体製造装置は、真空容器内に配置された処理室１００を有し、この処理室１００の内部には試料台１が配置されている。処理室１００の上部には電極プレート２２が設けられており、これにアンテナ電源２１が接続されている。試料台１の上表面部は静電吸着機能を有し、ウエハＷ等の被処理基板を載置するための試料載置面として構成されている。また、処理室１００にはその内部を排気して減圧するための真空ポンプ等の真空排気装置２０が接続されている。試料台１の試料載置面上でかつウエハの裏面側の微小隙間には、伝熱ガス供給系２４から熱伝達用のＨｅガス２５が供給される。試料台１には、バイアス電源２３や静電吸着用の直流電源（図示略）が接続されている。

さらに、半導体製造装置は、直膨式冷却サイクルで構成される温調機２００を備えている。試料台１には、内部を冷媒が循環し試料台を冷却するための蒸発器２として機能する冷媒流路が設けられている。蒸発器（冷媒流路）２は、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５と共に、温調機２００の直膨式冷却サイクルを構成している。なお、凝縮器４には冷却水が供給され、サイクル内の熱量を排熱している。制御装置１０１は、温調機２００を含む半導体製造装置の全体を制御する。
本発明では冷媒回収用の動力として圧縮機３を使用するため、動作負荷が過剰にならないように圧縮機用温度計６が設置されている。圧縮機３は過負荷状態にある場合には、温度が上昇し、最悪の場合には内部の銅線が焼損する。そのため、圧縮機用温度計６の検出結果に基づき、制御装置１０１により、圧縮機３の回転数などを制御する。

また、上記温調機２００を構成するシステムには冷却サイクル内を真空排気する手段が設置され、排気弁７を開けることで冷却サイクル内を真空状態にすることができる。更に、パージ用のガスラインも接続されており、パージ弁８を開けることで冷却サイクル内にパージ用ガスを供給することができる。パージ用のガスとしては窒素などが好ましいが、空気でもよい。圧縮機３の冷媒流入口近傍には冷媒の逆流防止弁９が設置され、圧縮機３停止時に該圧縮機を通過して冷媒が逆流するのを防止する。また、圧縮機３の前後にはそれぞれ低圧側圧力計１０と高圧側圧力計１１が設置されている。更に、圧縮機３の流入口の直前には冷媒を完全気化させるための冷媒蒸発器１９が設置されている。なお、本実施例では冷媒として例えばＲ４１０を用いる。

ここで、通常時「開」を（N.O.）、通常時「閉」を（N.C.）で表すと、制御装置１０１により制御される各種弁の開閉状態は、次のようになる。排気弁７…（N.C.）、パージ弁８…（N.C.）、逆流防止弁９…（N.O.）。

本実施例において、温調機２００を構成する冷却サイクルの冷媒流路は、制御装置１０１により膨張弁５及び逆流防止弁９を開閉制御することで、膨張弁５から試料台１内の蒸発器２を経て逆流防止弁９に至る第一の流路領域と、逆流防止弁９から圧縮機３及び凝縮器４を経て膨張弁５に至る第二の流路領域とに分離可能に構成されている。

さらに、試料台のメンテナンス時には、第一の流路領域と第二の流路領域とを分離し、制御装置１０１により圧縮機３などを制御することで、第一の流路領域から回収した冷媒を全て第二の流路領域に一時貯蔵し、メンテナンス終了後は、第二の流路領域に貯蔵されていた冷媒を全て冷却サイクルで再利用可能な状態にするように構成されている。

図２に、図１の直膨式冷却サイクルを備えた試料台のメンテナンスを行なうための制御装置１０１等による制御手順やオペレータの操作手順を示す。また、図３に、メンテナンス操作に伴う冷却サイクル内の圧力変化を示す。なお、ここでの試料台１のメンテナンスとは、試料台の交換作業を示す。
試料台のメンテナンスモードになると、制御装置１０１は、まず、圧縮機３が起動している状態（Ｓ０１）で膨張弁５を閉め（全閉し）（Ｓ０２）、膨張弁５から凝縮器４を経由した圧縮機３までの高圧（凝縮）領域、すなわち第二の流路領域に冷媒を貯蔵する。これにより、膨張弁５から蒸発器（試料台内の冷媒流路）２を経由した圧縮機３までの低圧（蒸発）領域、すなわち第一の流路領域は冷媒が回収されて真空状態となる。なお、膨張弁５は種類によって全閉にできないものもある。その場合には、膨張弁５の前後どちらかに制御装置１０１で開閉制御され全閉が可能な弁を追加すればよい。

圧縮機３によって上記の冷媒回収を行なう際には、圧縮機３が過負荷状態になる恐れがある。そのため、動作負荷が過剰にならないように圧縮機用温度計６を設置し、温度測定結果から負荷状態を確認する。過負荷状態であると圧縮機３の温度が急激に増加する。通常はシステム設計時に高圧領域と低圧領域の容量のバランスを検討し、また負荷に応じた圧縮機を選定することから、圧縮機が過負荷動作に達することはない。しかし、低圧領域が負圧になることでシール部から大気が浸入して冷却サイクル内へ混入するなどの異常がある場合には、低圧側の圧力が閾値（真空）に達するまでの負荷が増加し、圧縮機３内の銅線が焼損する可能性がある。圧縮機用温度計６は異常時において圧縮機３を停止させ、保護する機能を果たす。なお、低圧領域が負圧になった際のシール部からの大気浸入防止方法については後に図４を用いて説明する。更に、圧縮機３の直前には冷媒蒸発器１９が設置され、冷媒を完全蒸発させることで圧縮機３の動作が過負荷になることを防止している。冷媒が液体状態で圧縮機３に流入すると、非圧縮性流体（液体）を再度圧縮することになり、圧縮機３の負荷が増加する。

低圧領域すなわち第一の流路領域の冷媒が高圧領域すなわち第二の流路領域に回収されたことを確認する手段としては、低圧側圧力計１０および高圧側圧力計１１を使用すればよい（Ｓ０３）。

メンテナンス時の圧力計の動作について図３を用いて説明する。まず、膨張弁５が全開の状態で圧縮機３が動作しており、低圧領域すなわち第一の流路領域と高圧領域すなわち第二の流路領域の圧力がそれぞれＰ１０とＰ２１（室温が２０℃であれば約１．５ＭＰa）であるとする。この状態から膨張弁５を全閉にすることで、低圧領域から高圧領域に冷媒を移動させる。これにより、低圧領域の圧力はＰ１０からＰ１１に低下し、高圧領域の圧力はＰ２１からＰ２０に上昇する。上記冷媒回収は低圧側圧力計１０の値がＰ１１（閾値）に低下するまで続ける。なお、高圧側圧力計１１のＰ２０を閾値としてもよい。

低圧領域の冷媒回収後に圧縮機３を停止すると該圧縮機を通過して冷媒が低圧領域に逆流するため、逆流防止弁９を閉めた後（Ｓ０４）、圧縮機３を停止する（Ｓ０５）。冷媒回収後は低圧領域が真空状態になるため、パージ弁８を開けることでＳ０６）、低圧領域にパージ用ガスを供給する。大気圧もしくはそれに近いＰ１２を目標に低圧領域の圧力を上昇させる（Ｓ０７）。これにより試料台１を交換するために蒸発器（試料台内の冷媒流路）２を大気開放した場合でも、冷却サイクル内の冷媒を外部に排出することはない。この大気圧状態で、試料台１の交換作業などのメンテナンスを行う（Ｓ０８）。

試料台１のメンテナンスが終了後、低圧領域は大気圧状態（Ｐ１２）となっているため、排気弁７を開けて（Ｓ０９）低圧領域をＰ１１まで真空排気する。低圧領域の真空度が十分であることを低圧側圧力計１０で確認後に（Ｓ１０）、真空排気を停止し、膨張弁５、並びに逆流防止弁９を開放することにより（Ｓ１１、Ｓ１２）、高圧領域に貯蔵していた冷媒を低圧側に開放する。これにより低圧側すなわち第一の流路領域、高圧側すなわち第二の流路領域の各圧力はそれぞれＰ１０、Ｐ２１の初期状態に戻る。

以上によって、冷却サイクル内の冷媒を排出せずに試料台１のメンテナンスが可能である。なお、上記メンテナンス手順は制御装置１０１とオペレータが手順を適宜分担して行うことができるが、上記メンテナンス手順を制御装置１０１にプログラミングしておくことにより、試料台のメンテナンス以外の工程を全て自動で行なうこともできる。

次に、図４を用いて、図１の直膨式冷却システムに必要となるシール構造について説明する。ここでのシール構造はＯリングなどを想定している。直膨式冷却システムの通常動作時には蒸発器（試料台内の冷媒流路）２内は正圧となる。よって、冷却システムの設計において各シール部は正圧を想定して内圧用シール構造となっている。しかし、低圧領域から高圧領域に冷媒を回収する際には、圧縮機３の排気によって低圧領域は負圧状態となる。内圧用のシール構造を用いて真空排気した場合には、シール部から大気が浸入して冷媒に大気が混入し、冷却性能が劣化する。また、その状態で冷却システムを動作させると圧縮機が破損する恐れがある。

そのため、直膨式冷却システム内の各シールには内圧用と外圧用のシールをセットとして配置し、通常使用時の正圧状態、および冷媒排気時の負圧状態に対応させる必要がある。図４のＡ部は試料台外周部のシール例、Ｂは配管接続部のシール例を示している。なお、各シール部を軸シール構造にすれば正/負の両圧力に対応可能であるが、構造的に軸シールの適用が困難な箇所や、シール部の耐圧を高めたい場合には、本発明のシール構造が有効であると考えられる。

本実施例によれば、試料台メンテナンス時に冷媒をサイクルの流路の一部に全て回収し、サイクル内から大気中に排出することなくメンテナンス作業を実施し、該作業終了後は回収していた全冷媒を再利用することが可能となる。これにより、冷媒回収用の特別のタンクを追加する必要もなく、装置のダウンタイム、メンテナンスコスト、環境負荷を低減することができる。

本発明の第二の実施例を下記に示す。
図５は、本発明の第二の実施例にかかる半導体製造装置用試料台の温調機２００のシステム構成を示す概略図である。図１の温調機２００のシステム構成に、高圧側圧力計１１、流量弁１２、冷媒排出弁１３、冷媒供給弁１４、冷媒貯蔵タンク１５、冷媒重量計１６が追加されている。
ここで、本実施例における温調機のメンテナンスとは、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５のいずれかをメンテナンスする場合であり、その際、試料台もメンテナンスすることができる。すなわち、本実施例においても、試料台１のメンテナンスは可能であるが、試料台のみのメンテナンスを行うときは、実施例一の構成および手順に従う方が簡易である。

ここで、通常時「開」を（N.O.）、通常時「閉」を（N.C.）で表すと、制御装置１０１により制御される各種弁の開閉状態は次のようになる。排気弁７Ａ，７Ｂ…（N.C.）、パージ弁８Ａ，８Ｂ…（N.C.）、逆流防止弁９…（N.O.）、流量弁１２…（N.O.）、冷媒排出弁１３…（N.C.）、冷媒供給弁１４…（N.C.）。
本実施例においても、冷却サイクルの冷媒流路は、制御装置１０１により膨張弁５及び逆流防止弁９を開閉制御することで、膨張弁５から試料台１内の蒸発器２を経て逆流防止弁９に至る第一の流路領域と、逆流防止弁９から圧縮機３及び凝縮器４を経て膨張弁５に至る第二の流路領域とに分離可能に構成されている。

さらに、試料台１のメンテナンス時には、制御装置１０１により圧縮機３や各種弁を制御することで、蒸発器を含む第一の流路領域から回収した冷媒を第二の流路領域に一時貯蔵し得るように構成されている。

図６に、図５のシステムを用いて温調機内のメンテナンスを行なう際の操作手順を示す。
ここでのメンテナンスは、大気開放を前提として説明する。まず圧縮機３を起動させ（Ｓ３１）、流量弁１２を閉め（Ｓ３２）、冷媒排出弁１３を開ける（Ｓ３３）。これにより、冷媒貯蔵タンク１５に冷媒を送り出す。流量弁１２から凝縮器４、膨張弁５、蒸発器２を経由した圧縮機３までの低圧（蒸発）領域すなわち第一の流路領域は冷媒が冷媒貯蔵タンク１５に回収されて真空状態となる。低圧側圧力計１０Ａまたは１０Ｂを用いて低圧領域の冷媒が回収されたことが確認できる（Ｓ３４）。その後、逆流防止弁９および冷媒排出弁１３を閉める（Ｓ３５、Ｓ３６）ことにより、冷媒は貯蔵タンク１５に格納される。格納後、圧縮機３を停止する（Ｓ３７）。圧縮機の動作負荷は圧縮機用温度計６で監視する。なお、格納された冷媒の量を高精度に測定するため冷媒重量計１６の値も確認する（Ｓ３８）。

ここで、温調機の凝縮器４または膨張弁５をメンテナンスする場合にはパージ弁８Ａを開けて（Ｓ４１）冷却サイクル内にパージガスを供給して、その後メンテナンスに移ればよい（Ｓ４１〜Ｓ４３）。

圧縮機３をメンテナンスする場合は、第二の流路領域及び流量弁１２、冷媒排出弁１３、冷媒供給弁１４、逆流防止弁９から成る流路領域（第三の流路領域）に若干の冷媒が残ることから、排気弁７Ｂを開けて第二、第三の流路領域の少量の残留冷媒を除去し、その後パージ弁８Ｂを開放してラインをパージすることで、圧縮機３のメンテナンスが可能である（Ｓ３９〜Ｓ４２）。

温調機のメンテナンスが完了して再度装置を立ち上げる際には、冷却サイクル内が大気圧状態となっているため、まず真空排気を行なう。凝縮器４や膨張弁５のメンテナンス後は排気弁７Ａを開け（Ｓ４４）、真空度は低圧側圧力計１０Ａで確認する（Ｓ４５）。圧縮機３のメンテナンス後は排気弁７Ｂを開け、真空度は低圧側圧力計１０Ｂで確認する。上記排気が完了した後、逆流防止弁９および流量弁１２を開き（Ｓ４６〜Ｓ４７）、さらに冷媒供給弁１４を開く（Ｓ４８）。その後圧縮機５を起動させる（Ｓ４９）ことで、冷媒は冷媒貯蔵タンク１５より冷却サイクル内に供給される。

冷媒貯蔵タンク１５から冷媒を完全に回収するために、膨張弁５を閉めて（Ｓ５０）、冷媒貯蔵タンク１５を真空排気し、冷媒を圧縮機３から凝縮器４を経由した膨張弁５までの領域（第二の流路領域）に貯蔵する。貯蔵タンク１５内の冷媒の回収状態は圧力計１１および冷媒重量計１６を用いて判断する（Ｓ５１）。十分に冷媒が回収できた後、冷媒供給弁１４を閉じ（Ｓ５２）、膨張弁５を開き（Ｓ５３）、圧縮機３を停止する（Ｓ５４）。

なお、上記メンテナンス手順は制御装置１０１とオペレータが手順を適宜分担して行うことができるが、上記メンテナンス手順を制御装置１０１にプログラミングしておくことにより、メンテナンス以外の工程を全自動で行なうことができる。

本実施例によれば、冷媒貯蔵タンク等が必要になるものの、冷媒をサイクル内から大気に殆ど排出させずに、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５のいずれかを個別にメンテナンスすることができる。

また、本発明の上記システム構成およびメンテナンス方法を用いることにより、温調機メンテナンス毎に冷媒の入れ替えが不要となる。これにより、冷媒を供給して冷却性能を再度確認するためのダウンタイムと、冷媒交換によるメンテナンスコスト、および冷媒廃棄による環境負荷の低減が可能となる。

本発明の第三の実施例を下記に示す。
図７に、本発明の第三の実施例にかかる半導体製造装置用試料台の温度制御装置の構成を示す。この実施例では、冷却サイクルに対して外部から接続する冷媒回収ユニットを備えている。本実施例の基本構成は、冷媒排出弁１３の後に真空排気手段１７（例えばロータリーポンプ）が接続され、更にその後部に冷媒貯蔵タンク１５が配置されている。冷媒貯蔵タンク１５と冷却サイクルの間には冷媒供給弁１４がある。上記冷媒回収ユニットは冷却サイクルと脱着可能であり、配管継手１８が設置されている。

ここで、通常時「開」を（N.O.）、通常時「閉」を（N.C.）で表すと、制御装置（図示略）により制御される各種弁の開閉状態は次のようになる。排気弁７…（N.C.）、パージ弁８…（N.C.）、冷媒排出弁１３…（N.C.）、冷媒供給弁１４…（N.C.）。

冷却サイクル内の冷媒を回収する際には、冷媒排出弁１３を開放し、真空排気手段１７を起動させることで冷却サイクル内の冷媒を冷媒貯蔵タンク１５に回収できる。回収状態は低圧側圧力計１０で確認し、冷媒排出弁１３を閉めることで回収が完了となる。回収後、冷却サイクル内は真空状態であるため、パージ弁８を開いてラインのパージを行なう。なお、冷媒貯蔵タンク１５には冷媒重量計を設置し、冷媒量を定量的に確認できると更に良い。冷媒貯蔵タンク１５から冷媒をサイクル内に戻す際には、排気弁７を開けて冷却サイクル内を真空引きした後、冷媒供給弁１４を開放し、膨張弁５を閉めて圧縮機３を起動し、冷媒の戻り状態を低圧側圧力計１０または冷媒重量計にて確認する。冷媒の戻り後は冷媒供給弁１４を閉める。

上記方法は外部に真空排気手段が必要となることでメンテナンスコスト的には割高となるが、圧縮機のメンテナンスであっても冷却サイクル内の冷媒量を変化させずに行うことができる。

実施例一または実施例二で示した本発明のシステム構成にて、エッチング処理を行う際の動作について、図１、図５等などを参照しながら説明する。処理室１００の上部には電極プレート２２が設けられており、これにアンテナ電源２１が接続されている。なお、処理室１００の上部には、処理ガスを供給するシャワープレート（図示略）などのガス導入手段も設けられている。試料台１は静電吸着用の誘電体膜が設けられると共に、この試料台の上表面部は被処理基板(ウエハ)Ｗを載置するための試料載置面として構成されている。試料台１の試料載置面上でかつウエハの裏面側の微小隙間には、伝熱ガス供給系２４から熱伝達用のＨｅガス２５が供給される。試料台１には、バイアス電源２３や静電吸着用の直流電源（図示略）が接続されている。

次にエッチング装置の動作について、簡単に説明する。まずウエハＷが処理室１００に搬入され、試料台１上に載置、固定される。ついで、処理室１００内にプロセスガスが供給され、処理室１００は所定の処理圧力に調整される。次に、アンテナ電源２１及びバイアス電源２３の電力供給と、図示されない磁場形成手段の作用により処理室１００内にプラズマが生成され、このプラズマを用いたウエハＷのエッチング処理がなされる。プロセス中のウエハ温度の制御は、制御装置１０１により図示されない試料台温度センサからの温度情報をモニタしながらフィードバック制御を行い、圧縮機３、膨張弁５を調節して、冷媒の流量及び蒸発温度を調節している。これらの構成及び制御方法を採用することにより、高ウエハバイアス電力の印加による大入熱エッチング条件においても、ウエハＷの面内全体で高精度な加工が可能となる。

上記システムには実施例一または実施例二で示した構成部品が設置され、試料台メンテナンス時には実施例一と同様の方法、温調機メンテナンス時には実施例二の方法をそれぞれ採用すればよい。なお、実施例二の構成において冷媒貯蔵タンク１５内の冷媒貯蔵量を冷却サイクルの標準必要量よりも多くしておくことで、冷却サイクル内の冷媒充填量の増減が可能となる。冷却サイクル内の冷媒充填量の制御は冷却サイクルの動作時にも可能であり、エッチングステップに応じて最適な冷媒充填量に制御することも可能である。

なお、上記のメンテナンスおよび冷媒充填量の制御を行なう際の各構成部品の動作は制御装置１０１で制御される。該制御装置に作業手順のプログラムを読み込ませることで、自動的に作業を行なうことができる。

また、上記実施例一から実施例三までの冷却サイクルは蒸発器を本実施例で示した試料台に限るものではない。蒸発器の材質や形状を変更し、大気圧下で使用する場合にも、本発明の冷却サイクルは適用可能である。

本発明が提案するプラズマ処理装置における温調ユニットは、上記の実施例のみに限定されず、アッシング装置、スパッタ装置、イオン注入装置、レジスト塗布装置、プラズマＣＶＤ装置、フラットパネルディスプレイ製造装置、太陽電池製造装置などの高速かつ面内均一なウエハの温度制御を必要とする装置にも転用が可能である。

１…試料台、２…蒸発器（試料台内の冷媒流路）、３…圧縮機、４…凝縮器、５…膨張弁、６…圧縮機温度測定手段、７…排気弁、８…パージ弁、９…逆流防止弁、１０…低圧側圧力計、１１…高圧側圧力計、１２…流量弁、１３…冷媒排出弁、１４…冷媒供給弁、１５…冷媒貯蔵タンク、１６…冷媒重量計、１７…冷媒真空排気手段、１８…配管接続部、１９…冷媒蒸発器、２０…真空排気系、２１…アンテナ電源、２２…電極プレート、２３…バイアス電源、２４…伝熱ガス供給系、２５…Ｈｅガス、１００…処理室、１０１…制御装置、２００…温調機、Ｗ…ウエハ。

Claims (9)

1. 真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、
   前記試料台に設けられた冷媒流路と前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁とがこの順で連結されて冷媒が循環し、前記試料台を蒸発器として動作させる冷却サイクルが構成されており、
   前記圧縮機と前記冷媒流路との間に配置された逆流防止弁と、前記逆流防止弁を制御する制御装置とを備え、
   前記冷却サイクルは、前記膨張弁から前記蒸発器を経て前記逆流防止弁に至る前記冷媒流路の第一の流路領域と、前記逆流防止弁から前記圧縮機及び前記凝縮器を経て前記膨張弁に至る第二の流路領域とに区画可能に構成され、
   前記試料台のメンテナンスの際に、前記冷却サイクルの冷媒の循環を停止した状態で前記第一の流路領域に存在する冷媒を前記第二の流路領域に貯蔵し、前記メンテナンス終了後、前記貯蔵された冷媒を前記冷却サイクルで再利用可能な状態にすることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記試料台のメンテナンスの際に、前記凝縮器の出口と前記試料台の冷媒流路との間を全閉した状態で前記圧縮機によって前記第一の流路領域の冷媒を前記第二の流路領域に回収することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第二の流路領域でかつ前記圧縮機と前記逆流防止弁との間に配置され前記冷媒を完全蒸発させるための冷媒蒸発器を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一及び第二の流路領域が内外二重のシール構造を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置において、前記試料台に設けられた冷媒流路と前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁とがこの順で連結されて冷媒が循環し、前記試料台を蒸発器として動作させる冷却サイクルが構成されており、
   前記圧縮機と前記冷媒流路との間に配置された逆流防止弁と、
   前記逆流防止弁と前記圧縮機との間において冷媒供給弁を介して前記冷却サイクルに接続され、前記圧縮機の冷媒流出口側と前記凝縮器との間において冷媒排出弁を介して前記冷却サイクルに接続された冷媒貯蔵タンクと、
   前記圧縮機の冷媒流出口側と前記凝縮器との間に接続された流量弁と、
   前記逆流防止弁、前記流量弁、前記冷媒供給弁および前記冷媒排出弁を各々制御する制御装置とを備え、
   前記冷却サイクルは、前記膨張弁から前記蒸発器を経て前記逆流防止弁に至る前記冷媒の第一の流路領域と、前記逆流防止弁から前記圧縮機及び前記凝縮器を経て前記膨張弁に至る第二の流路領域とに区画可能に構成され、
   前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁のいずれかをメンテナンスする際に、前記冷却サイクルの冷媒の循環を停止した状態で前記第一の流路領域に存在する冷媒を前記冷媒貯蔵タンクに貯蔵し、前記メンテナンス終了後、前記冷媒貯蔵タンクに貯蔵された前記冷媒を前記冷却サイクルで再利用可能な状態にすることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５において、
   前記圧縮機をメンテナンスする際に、前記流量弁を閉め、前記冷媒排出弁を開き、前記圧縮機により、前記冷媒貯蔵タンクに前記冷媒を回収することを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６において、
   前記冷媒貯蔵タンクの重量測定手段を有し、冷却サイクル内の冷媒充填量を監視可能なことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 真空処理室内に試料台が設置され、前記真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化し、該プラズマにて前記試料台に載置された被加工試料の表面処理を行うプラズマ処理装置のメンテナンス方法であって、
   前記プラズマ処理装置は、前記試料台に設けられた冷媒流路と前記真空処理室の外に配置された圧縮機、凝縮器、膨張弁とがこの順で連結されて冷媒が循環し、前記試料台を蒸発器として動作させる冷却サイクルが構成されており、
   前記圧縮機と前記試料台との間に配置された逆流防止弁と、前記逆流防止弁を制御する制御装置とを備えており、
   前記冷却サイクルは、前記膨張弁から前記蒸発器を経て前記逆流防止弁に至る前記冷媒の第一の流路領域と、前記逆流防止弁から前記圧縮機及び前記凝縮器を経て前記膨張弁に至る第二の流路領域とに区画可能に構成され、
   前記試料台のメンテナンスの際に、
   前記冷却サイクルの冷媒の循環を停止した状態で前記圧縮機を回転させて前記第一の流路領域に存在する冷媒を回収し前記第二の流路領域に貯蔵し、
   前記試料台のメンテナンスを行い、
   前記メンテナンス終了後、前記第二の流路領域に貯蔵されていた冷媒を前記冷却サイクルで再利用可能な状態にすることを特徴とするプラズマ処理装置のメンテナンス方法。
9. 請求項８において、
   前記冷媒の回収時、前記第二の流路領域でかつ前記圧縮機と前記逆流防止弁との間に配置された冷媒蒸発器により冷媒を完全蒸発させることを特徴とするプラズマ処理装置のメンテナンス方法。

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