JP5496771B2

JP5496771B2 - 温度制御装置を用いた温度制御方法

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Publication number: JP5496771B2
Application number: JP2010110913A
Authority: JP
Inventors: 典夫高橋
Original assignee: Kelk Ltd
Current assignee: Kelk Ltd
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: KR20110125595A; US20110277983A1; JP2011238160A

Description

本発明は、被温度制御対象物の温度制御を行う温度制御装置を用いた温度制御方法に関する。

従来、半導体ウェハには、例えば、プラズマ熱を利用したプラズマエッチング処理といった各種半導体処理が施される。そして、この各種半導体処理を実行する場合には、真空チャンバ等の被温度制御対象物に対して、所定の目標温度に調整された温度流体を循環供給し、その循環供給された温度流体により、被温度制御対象物の温度制御を行うことが一般的であり、そのような温度制御を行うための温度制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この温度制御装置は温度流体の主循環回路としての流体循環装置を備え、主循環回路は温度流体を加熱する流体加熱部を備え、主循環回路には温度流体を冷却する冷却回路が接続されている。主循環回路には、温度流体の通過流量を調整制御する流量制御バルブが複数配置されている。

また、この温度制御装置は、主循環回路に生じる圧力変動を吸収するため、ベローズチューブ等のように、その内部圧力の変動に応じて容易に容積を変化させることができる圧力吸収手段を備えている。
また、この温度制御装置における温度流体の温度制御は、全ての流量制御バルブのバルブ開度を一定にした状態で、流体加熱部の出力を制御することによって行われる。

特開平１１−２８２５４５号公報

しかし、特許文献１に記載のような従来の温度制御装置や流体循環装置では、流量制御バルブが主循環回路側に設けられているため、大きな流量を制御できる大型の流量制御バルブが必要となる。また、従来の圧力吸収手段も構造上大型となってしまう。このため、温度制御装置全体および流体循環装置全体が大型になってしまうという問題がある。
さらに、流量制御バルブを複数設置するため、温度制御装置や流体循環装置の製造コストが高くなる。
また、特許文献１に記載のような従来の温度制御方法では、複数の流量制御バルブを用いるため、大きな流量から小さな流量まで流量制御を行う際に、流体の圧力変動が大きくなり、流体の温度や流量が不安定になる。このような場合、広い範囲で流量制御を行うことが困難である、もしくは時間がかかることにより、流量の制御範囲を狭くしなければならない。これにより、流体加熱部の出力が大きくなり、温度制御において消費されるエネルギー量が大きくなってしまう。

本発明の目的は、装置全体をコンパクトにでき、かつ製造コストを低減できる温度制御装置を用いて、省エネルギーな温度制御ができる温度制御方法を提供することにある。

第１発明に係る温度制御方法は、被温度制御対象物に対して所定の目標温度に調整された温度流体を循環供給し、その循環供給される温度流体によって前記被温度制御対象物の温度制御を行う温度制御装置であって、流体冷却部を有した閉鎖型の第１循環回路と、流体加熱部を有するとともに、前記流体加熱部で加熱された温度流体を前記被温度制御対象物に供給する閉鎖型の第２循環回路と、前記第１循環回路側からの温度流体を前記第２循環回路側に送る送り流路と、前記第２循環回路側からの温度流体を前記第１循環回路側に流出させて戻す流出流路とを備え、前記送り流路には、前記第１循環回路側からの温度流体の送り流量を調整制御する流量制御バルブが設けられ、前記流出流路には、前記第２循環回路内の温度流体の圧力を所定圧力以下に補償する圧力制御バルブが設けられている温度制御装置を用いて、その温度制御装置により循環供給される温度流体によって前記被温度制御対象物の温度制御を行う温度制御方法であって、前記被温度制御対象物から戻される温度流体の温度を検出するとともに、その検出された温度と前記被温度制御対象物へ送られる温度流体の目標温度との温度差を算出する工程と、その算出結果に基づいて、前記流量制御バルブのバルブ開度を調整制御する工程と、前記流量制御バルブのバルブ開度を調整制御する工程の後に、前記流体加熱部を通過して前記被温度制御対象物に送られる温度流体の温度を検出するとともに、その検出された温度と前記目標温度との温度差を算出する工程と、その算出結果に基づいて前記流体加熱部の出力を制御する工程とを備えていることを特徴とする。

第１発明に係る温度制御方法によれば、流体加熱部の出力を制御する前に、流量制御バルブのバルブ開度を調整制御することによっても、温度流体の温度を調整制御する。このため、温度流体の温度制御を流体加熱部の出力を制御することによってだけで行う場合と比べて、特に流体加熱部の出力を抑えることができ、省エネルギーな温度制御ができる。

本発明の実施形態に係る温度制御装置および流体循環装置を示す回路図。図１の温度制御装置による温度制御方法を示すフローチャート。出力される熱量の変化を示すタイムチャートで、（Ａ）は従来の温度制御方法におけるタイムチャート、（Ｂ）は本発明の実施形態にかかる温度制御装置を用いた温度制御方法におけるタイムチャート。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、温度制御装置１は、閉鎖型の第１循環回路２と、閉鎖型の第２循環回路３と、第１循環回路２側からの温度流体を第２循環回路３側に送る送り流路４と、第２循環回路３側からの温度流体を第１循環回路２側に流出させて戻す流出流路５と、バルブ制御部６２およびランプ制御部６４を有する制御装置６０とを備え、被温度制御対象物としての真空チャンバＣに対して所定の目標温度Ｓ_ｖに調整された温度流体を循環供給し、その循環供給される温度流体によって真空チャンバＣの温度制御を行うものである。
また、図１に点線で示すように、第２循環回路３と、送り流路４と、流出流路５とを有して流体循環装置１Ａが構成されている。

真空チャンバＣは半導体ウェハを載置するサセプタを備え、サセプタに載置された半導体ウェハには、真空チャンバＣ内で、プラズマエッチング等の各種半導体処理が施される。真空チャンバＣは、温度流体が送り込まれる流入口Ｃ１と温度流体が送り出される流出口Ｃ２とを備え、流入口Ｃ１から送り込まれた温度流体はサセプタに送られる。これにより、循環供給された温度流体によって、真空チャンバＣの温度、より具体的にはサセプタの温度が制御される。また、循環供給された温度流体によって、真空チャンバＣ内の半導体ウェハが、サセプタを介して実行処理に応じた温度に維持される。
温度流体としては、フロリナート（登録商標）、エチレングリコール、オイル、水等の液体や窒素、空気、ヘリウム等の気体の中から半導体処理の種類や目標温度Ｓ_ｖに応じたものを適宜選択することができる。

第１循環回路２は、チラー２０などから構成される温度流体の閉鎖型循環回路である。なお、図１では、チラー２０以外の構成機器は省略している。チラー２０は、図示しない流体冷却部としての蒸発器などから構成され、その蒸発器において温度流体を冷却する。第１循環回路２を循環する温度流体の温度は、本実施形態では約９０℃である。
第２循環回路３は、温度流体が、供給ポンプ３０→流体加熱部としてのハロゲンランプヒータ３１→真空チャンバＣ→流量センサ３２→供給ポンプ３０といった経路で循環する閉鎖型循環回路である。第２循環回路３を循環する温度流体の温度は、本実施形態では約１５０℃である。

供給ポンプ３０は、真空チャンバＣに温度流体を循環供給する。この際の温度流体は、真空チャンバＣの流出口Ｃ２から戻された温度流体と、第１循環回路２で冷却された温度流体の一部とが合流部Ｘにおいて混合されたものである。
ハロゲンランプヒータ３１は、図示しないハロゲンランプを備える光加熱方式のものであり、合流部Ｘで混合された温度流体のうち分岐部Ｙで真空チャンバＣ側に分岐された温度流体がハロゲンランプヒータ３１に送られる。ハロゲンランプヒータ３１に送られた温度流体は、点灯されたハロゲンランプから放射される赤外線を吸収し、その放射熱（輻射熱）によって加熱される。ハロゲンランプヒータ３１で加熱された温度流体は真空チャンバＣに供給される。
流量センサ３２は、真空チャンバＣの流出口Ｃ２から第２循環回路３に戻された温度流体の通過流量を測定検出する。

送り流路４には流量制御バルブ４０と逆止弁４１とが設けられている。流量制御バルブ４０は、バルブ開度が調整制御されることによって、第１循環回路２で冷却された温度流体の第２循環回路３への通過流量を調整する。
逆止弁４１は、流量制御バルブ４０を通過した温度流体が第１循環回路２に逆流することを防止している。

流出流路５には圧力制御バルブ５０が設けられている。合流部Ｘで温度流体が混合されると、第２循環回路３内の温度流体の圧力は上昇する。圧力制御バルブ５０は、その温度流体の圧力上昇によって第２循環回路３内の圧力が所定圧力以上になった場合に開き、温度流体の一部を分岐部Ｙから第１循環回路２側に流出させて第２循環回路３内の圧力を一定に維持する。また、第２循環回路３内の圧力は、温度流体の温度変化に伴う膨張収縮に起因して変動するが、圧力制御バルブ５０はこの圧力変動も防止する。すなわち、圧力制御バルブ５０は、第２循環回路３内の温度流体の圧力を所定圧力以下に補償する。

第２循環回路３では、真空チャンバＣと流量センサ３２との間において、真空チャンバＣ側から流出した温度流体が第２循環回路３側に入る入口側近傍に入口側温度センサ６１が設けられている。この入口側近傍とは真空チャンバＣの流出口Ｃ２の近傍である。
入口側温度センサ６１は、真空チャンバＣの流出口Ｃ２から戻された温度流体の入口温度Ｐ_ｖ２を測定検出し、その温度検出信号を制御装置６０のバルブ制御部６２に出力する。

制御装置６０において、バルブ制御部６２は、入口温度Ｐ_ｖ２と予め設定された目標温度Ｓ_ｖとの温度差Ｔ１（＝Ｓ_ｖ−Ｐ_ｖ２）に基づいて、流量制御バルブ４０のバルブ開度を調整制御することにより、送り流路４を通して第１循環回路２から第２循環回路３に送り込む温度流体の流量を制御する。

また、第２循環回路３では、ハロゲンランプヒータ３１と真空チャンバＣとの間であって、温度流体が第２循環回路３側から真空チャンバＣ側に出る出口側に出口側温度センサ６３が設けられている。
出口側温度センサ６３は、ハロゲンランプヒータ３１を通過した後の温度流体の出口温度Ｐ_ｖ１を測定検出し、その温度検出信号をランプ制御部６４に出力する。ランプ制御部６４は、出口温度Ｐ_ｖ１と予め設定された目標温度Ｓ_ｖとの温度差Ｔ２（＝Ｓ_ｖ−Ｐ_ｖ１）に基づいて、ハロゲンランプ点灯時間のデューティ比や発光量を適宜調整してハロゲンランプヒータ３１の出力を制御する。

以下の温度制御装置１では、流量制御バルブ４０のバルブ開度が設定されると、流量制御バルブ４０のバルブ開度に応じて送り込まれる温度流体と、真空チャンバＣから戻された温度流体とが合流部Ｘで混合される。その混合流体は分岐部Ｙを経由し、ハロゲンランプヒータ３１を通過して、その後真空チャンバＣに送られる。なお、第２循環回路３内で混合流体の圧力が圧力制御バルブ５０の所定圧力に達した場合には、混合流体の一部が分岐部Ｙで分岐されて流出流路５によって第１循環回路２に戻され、分岐部Ｙで分岐されたもう一方の混合流体がハロゲンランプヒータ３１を通過して、その後真空チャンバＣに供給される。

次に、図２に基づいて、以上のような温度制御装置１を用いて、真空チャンバＣ内で、半導体ウェハが、プラズマ熱を利用したプラズマエッチング処理されるときの温度制御方法を説明する。
この温度制御方法では、温度差Ｔ１に基づいて流量制御バルブ４０のバルブ開度が決定、調整制御され、温度差Ｔ２に基づいてハロゲンランプヒータ３１の出力が制御されて、真空チャンバＣに循環供給される温度流体が所定の目標温度Ｓ_ｖに制御される。以下では、各動作ステップをＳ１，Ｓ２，・・・で示す。

まず、Ｓ１において、入口側温度センサ６１が温度流体の入口温度Ｐ_ｖ２を測定検出し、その温度検出信号をバルブ制御部６２に出力する。次にＳ２で、バルブ制御部６２が、目標温度Ｓ_ｖと入口温度Ｐ_ｖ２との温度差Ｔ１を算出し、Ｓ３で、温度差Ｔ１が０．３℃よりも大きいか否かを判断する。

Ｓ３において、温度差Ｔ１が０．３℃よりも大きいと判断された場合にはＳ４に移行し、バルブ制御部６２は、流量制御バルブ４０のバルブ開度を規定の開度まで小さくし、第１循環回路２によって冷却された温度流体の送り流路４での通過流量を減少させる。ただし、実際には、より緻密なフィードバック制御が行われるのであるが、その詳細については説明を省略する。温度差Ｔ１が０．３℃よりも大きいと判断される場合としては、例えば半導体ウェハにプラズマ熱が加えられていない場合である。

流量制御バルブ４０のバルブ開度が設定されると、真空チャンバＣの流出口Ｃ２から戻された温度流体と、第１循環回路２で冷却された温度流体の一部とが合流部Ｘにおいて混合された温度流体が、供給ポンプ３０によって、分岐部Ｙを経由してハロゲンランプヒータ３１に送られる。

その後、Ｓ５において、出口側温度センサ６３が、ハロゲンランプヒータ３１を通過した後の温度流体の出口温度Ｐ_ｖ１を測定検出し、その温度検出信号をランプ制御部６４に送る。次にＳ６で、ランプ制御部６４が、目標温度Ｓ_ｖと出口温度Ｐ_ｖ１との温度差Ｔ２を算出し、Ｓ７で、その算出結果に基づいて、ハロゲンランプヒータ３１の出力を制御し、真空チャンバＣに供給される温度流体の温度を目標温度Ｓ_ｖに近づける。Ｓ７では、例えば、出口温度Ｐ_ｖ１が目標温度Ｓ_ｖよりも低い場合には、ハロゲンランプヒータ３１の発光量が増加され、温度流体に与えられる熱が増加されて温度流体の温度が目標温度Ｓ_ｖに近づけられる。逆に、出口温度Ｐ_ｖ１が目標温度Ｓ_ｖよりも高い場合には、ハロゲンランプヒータ３１の発光量が減少され、温度流体に与えられる熱が減少されて温度流体の温度が目標温度Ｓ_ｖに近づけられる。

一方、Ｓ３において、温度差Ｔ１が０．３℃以下であると判断された場合にはＳ８に移行し、バルブ制御部６２は、温度差Ｔ１が０℃よりも小さいか否かを判断する。温度差Ｔ１が０．３℃以下であると判断される場合としては、例えば半導体ウェハにプラズマ熱が加えられている場合がある。

Ｓ８において、温度差Ｔ１が０℃よりも小さいと判断された場合には、入口温度Ｐ_ｖ２のほうが目標温度Ｓ_ｖよりも高い状態である。よって、Ｓ９に移行し、バルブ制御部６２は、流量制御バルブ４０のバルブ開度を規定の開度まで大きくし、第１循環回路２によって冷却された温度流体の送り流路４での通過流量を増加させる。その後は、Ｓ４を経由した場合と同様に、Ｓ５〜Ｓ７の動作を行う。
Ｓ８において、温度差Ｔ１が０℃以上であると判断された場合には、温度差Ｔ１が０℃以上で０．３℃以下の状態である。このときには、流量制御バルブ４０のバルブ開度はそのまま維持され、Ｓ５〜Ｓ７の動作に移行する。
なお、Ｓ４やＳ９においては、流量制御バルブ４０のバルブ開度を規定の開度とするのではなく、流量制御バルブ４０のバルブ開度を温度差Ｔ１に応じた所定の開度にしてもよい。

次に、本実施形態の温度制御装置１を用いた温度制御方法の効果について、図３に基づいて説明する。
図３（Ａ）に示すように、従来の特許文献１に記載のような温度制御方法では、流量制御バルブのバルブ開度を一定としており、図３（Ａ）の（ｃ）に示すように、流量制御バルブを通過する熱量は−４ｋＷ（４ｋＷの冷却量）となる。このような流量制御バルブのバルブ開度を維持するためにチラー２０で消費される消費電力としては、冷却効率ＣＯＰ（消費熱量に対する冷却熱量）を２としたとき、図３（Ａ）の（ｄ）に示すように、ほぼ一定の約２ｋＷが必要である。

半導体ウェハに処理が施されておらず、プラズマ熱が加えられていない状態（図３（Ａ）の（ａ）におけるＯＦＦの状態）では、図３（Ａ）の（ｂ）に示すように、温度流体を目標温度にするためには、ランプヒータの出力を４ｋＷとして温度流体を加熱する必要がある。そうすると、温度流体を目標温度にするために必要な総エネルギー、つまりチラー２０で消費される消費電力とランプヒータの出力に使用される電力とを合わせたエネルギーは６ｋＷとなる。
これに対して、図３（Ｂ）に示すように、本実施形態の温度制御装置１を用いた温度制御方法では、ハロゲンランプヒータ３１の出力はほぼ一定に保つことが可能であり、図３（Ｂ）の（ｂ）に示すように、出力に使用される電力はほぼ一定の約１ｋＷが必要である。

本実施形態の温度制御装置１を用いた温度制御方法では、図２のＳ７でハロゲンランプヒータ３１の出力を制御する前に、Ｓ４やＳ９に示されるように、流量制御バルブ４０のバルブ開度を調整制御することによっても温度流体の温度を調整制御する。このため、半導体ウェハにプラズマ熱が加えられていない状態（図３（Ｂ）の（ａ）におけるＯＦＦの状態）では、温度流体が目標温度Ｓ_ｖとなるような流量制御バルブ４０のバルブ開度にすると、図３（Ｂ）の（ｃ）に示すように、流量制御バルブ４０を通過する熱量は−１．０ｋＷ（１．０ｋＷの冷却量）となる。このとき、図３（Ｂ）の（ｄ）に示すように、冷却効率ＣＯＰを２としたとき、チラー２０で消費される消費電力は０．５ｋＷとなる。そうすると、温度流体を目標温度Ｓ_ｖにするために必要な総エネルギーは１．５ｋＷとなり、従来の特許文献１に記載のような温度制御方法における総エネルギー６ｋＷよりも少なくなる。

一方、半導体ウェハにプラズマ熱３ｋＷが加えられている状態（図３（Ａ）または（Ｂ）の（ａ）におけるＯＮの状態）においては、従来の特許文献１に記載のような温度制御方法では、図３（Ａ）に示すように、温度流体を目標温度にするために必要な総エネルギーは、ランプヒータの出力に使用される電力１ｋＷとチラー２０で消費される消費電力２ｋＷとで３ｋＷとなる。これに対して、本実施形態の温度制御装置１を用いた温度制御方法では、図３（Ｂ）に示すように、温度流体を目標温度Ｓ_ｖにするために必要な総エネルギーは、ハロゲンランプヒータ３１の出力に使用される電力１ｋＷとチラー２０で消費される消費電力２ｋＷとで３ｋＷとなり、従来の特許文献１に記載のような温度制御方法における総エネルギー使用量３ｋＷと同じとなる。なお、このとき、図３（Ｂ）の（ｃ）に示すように、流量制御バルブ４０を通過する熱量は−４ｋＷ（４ｋＷの冷却量）である。

よって、プラズマエッチング処理において、プラズマ熱を加えるときと加えないときとを合わせた全工程において、出力される総エネルギーは、本実施形態の温度制御装置１を用いた温度制御方法における総エネルギーのほうが従来の特許文献１に記載のような温度制御方法における総エネルギーよりも少なくてすみ、省エネルギーな温度制御を行うことができる。また、ハロゲンランプヒータ３１の出力が小さく一定になることで、ハロゲンランプヒータ３１の小容量化や耐久性向上を図ることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、被温度制御対象物として、半導体ウェハに各種半導体処理を実行するときに利用される真空チャンバＣについて説明したが、温度制御装置１や流体循環装置１Ａは、液晶デバイスに各種処理を実行するときに利用される処理室や他の恒温室についても適用できる。

また、前記実施形態では、温度流体の加熱を行うものとしてハロゲンランプヒータ３１を用いたが、熱応答性に優れ、しかも出力を容易に変化させることのできるものであれば、その他のヒータであってもよい。
また、前記実施形態では、入口側温度センサ６１は、真空チャンバＣの流出口Ｃ２の近傍で、真空チャンバＣと流量センサ３２との間に設けられているが、流量センサ３２と合流部Ｘとの間に設けられていてもよく、要するに、流出口Ｃ２と合流部Ｘとの間に設けられていればよい。

また、前記実施形態では、Ｓ３において、温度差Ｔ１が０．３℃よりも大きいか否かが判断されたが、判断基準となる閾値としては、温度差Ｔ１をＳ７でのハロゲンランプヒータ３１の出力制御だけによって小さくでき、温度流体の温度を目標温度Ｓ_ｖに近づけることができる範囲の閾値であればよく、０．３℃に限定されない。
また、前記実施形態における温度制御方法では、圧力制御バルブ５０を備えた温度制御装置１が用いられたが、本発明の温度制御方法は、圧力制御バルブを備えていない温度制御装置を用いた場合においても適用可能である。

本発明は、被温度制御対象物の温度制御を行う温度制御装置を用いた温度制御方法に利用することができる。

１…温度制御装置、１Ａ…流体循環装置、２…第１循環回路、３…第２循環回路、４…送り流路、５…流出流路、３１…流体加熱部であるハロゲンランプヒータ、４０…流量制御バルブ、５０…圧力制御バルブ、６１…入口側温度センサ、Ｐ_ｖ１…出口温度、Ｐ_ｖ２…入口温度、Ｃ…被温度制御対象物である真空チャンバ、Ｃ２…流出口、Ｓ_ｖ…目標温度、Ｔ１，Ｔ２…温度差。

Claims

被温度制御対象物に対して所定の目標温度に調整された温度流体を循環供給し、その循環供給される温度流体によって前記被温度制御対象物の温度制御を行う温度制御装置であって、流体冷却部を有した閉鎖型の第１循環回路と、流体加熱部を有するとともに、前記流体加熱部で加熱された温度流体を前記被温度制御対象物に供給する閉鎖型の第２循環回路と、前記第１循環回路側からの温度流体を前記第２循環回路側に送る送り流路と、前記第２循環回路側からの温度流体を前記第１循環回路側に流出させて戻す流出流路とを備え、前記送り流路には、前記第１循環回路側からの温度流体の送り流量を調整制御する流量制御バルブが設けられ、前記流出流路には、前記第２循環回路内の温度流体の圧力を所定圧力以下に補償する圧力制御バルブが設けられている温度制御装置を用いて、
その温度制御装置により循環供給される温度流体によって前記被温度制御対象物の温度制御を行う温度制御方法であって、
前記被温度制御対象物から戻される温度流体の温度を検出するとともに、その検出された温度と前記被温度制御対象物へ送られる温度流体の目標温度との温度差を算出する工程と、
その算出結果に基づいて、前記流量制御バルブのバルブ開度を調整制御する工程と、
前記流量制御バルブのバルブ開度を調整制御する工程の後に、前記流体加熱部を通過して前記被温度制御対象物に送られる温度流体の温度を検出するとともに、その検出された温度と前記目標温度との温度差を算出する工程と、
その算出結果に基づいて前記流体加熱部の出力を制御する工程とを備えている
ことを特徴とする温度制御方法。