JP7365815B2 - 載置台及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、載置台及び基板処理装置に関する。
基板処理装置において、載置台の上に載置された基板の温度調整を行うために、載置台の内部に設けられた流路に所定の温度に制御された冷媒を流すことによって基板を冷却することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
流路設計時には、載置台の内部にリフトピン等の貫通孔等があるため、貫通孔等をよけて流路を設計することがある。このため、貫通孔をよけた流路部分等において抜熱均一性が悪くなる場合がある。
特開２００６－２６１５４１号公報 特開２０１１－１５１０５５号公報 特許第５２１０７０６号明細書 特許第５４１６７４８号明細書
本開示は、載置台内の流路における抜熱均一性を制御することができる載置台及び基板処理装置を提供する。
本開示の一の態様によれば、静電チャックに基板を載置する載置台であって、基台と、前記基台の載置面に載置される前記静電チャックと、前記載置面に沿って内部に形成され、熱交換媒体の供給口から排出口まで熱交換媒体が通流する流路と、を有し、前記流路の上面と前記載置面との距離は、前記供給口から前記排出口までの間一定であり、前記上面と垂直方向の前記流路の断面形状は、前記流路の位置に応じて異なる、載置台が提供される。
一の側面によれば、載置台内の流路における抜熱均一性を制御することができる。
一実施形態に係る基板処理装置の一例を示す断面模式図。 一実施形態に係る基台の載置面の温度と流路の高さの関係式の一例を示す図。 一実施形態に係る基台の載置面の温度と流路の高さの線形関係を説明するための図。 一実施形態に係る流路の高さの最適化とシミュレーション結果の一例を示す図。 一実施形態に係る流路の高さと載置面の温度分布のシミュレーション結果の一例を示す図。 一実施形態の変形例に係る流路の断面形状の一例を示す図。 一実施形態に係る流路の供給口と排出口の温度差と流路断面積の一例を示す図。 一実施形態に係る流路の供給口と排出口の温度差と流路断面積の一例を示す図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［基板処理装置］
一実施形態に係る基板処理装置１について、図１を用いて説明する。図１は、一実施形態に係る基板処理装置１の一例を示す断面模式図である。
基板処理装置１は、チャンバ１０を備える。チャンバ１０は、その中に内部空間１０ｓを提供する。チャンバ１０はチャンバ本体１２を含む。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有する。チャンバ本体１２は、例えばアルミニウムから形成される。チャンバ本体１２の内壁面上には、耐腐食性を有する膜が設けられている。当該膜は、酸化アルミニウム、酸化イットリウムなどのセラミックスであってよい。
チャンバ本体１２の側壁には、通路１２ｐが形成されている。基板Ｗは、通路１２ｐを通して内部空間１０ｓとチャンバ１０の外部との間で搬送される。通路１２ｐは、チャンバ本体１２の側壁に沿って設けられるゲートバルブ１２ｇにより開閉される。
チャンバ本体１２の底部上には、支持部１３が設けられている。支持部１３は、絶縁材料から形成される。支持部１３は、略円筒形状を有する。支持部１３は、内部空間１０ｓの中で、チャンバ本体１２の底部から上方に延在している。支持部１３は、上部に載置台１４を有する。載置台１４は、内部空間１０ｓの中において、基板Ｗを支持するように構成されている。
載置台１４は、基台１８及び静電チャック２０を有する。載置台１４は、電極プレート１６を更に有し得る。電極プレート１６は、アルミニウムなどの導体から形成され、略円盤形状を有する。基台１８は、電極プレート１６上に設けられている。基台１８は、アルミニウムなどの導体から形成されて、略円盤形状を有する。基台１８は、電極プレート１６に電気的に接続されている。
基台１８の載置面１８ａには静電チャック２０が載置され、静電チャック２０上に基板Ｗが載置される。静電チャック２０は、本体、電極２０ａ及びヒータ２０ｂを有する。静電チャック２０の本体は、略円盤形状を有し、誘電体から形成される。静電チャック２０の電極２０ａは、膜状の電極であり、静電チャック２０の本体内に設けられている。静電チャック２０の電極２０ａは、スイッチ２０ｓを介して直流電源２０ｐに接続されている。静電チャック２０の電極２０ａに直流電源２０ｐからの電圧が印加されると、静電チャック２０と基板Ｗとの間に静電引力が発生する。その静電引力により、基板Ｗが静電チャック２０に保持される。静電チャック２０のヒータ２０ｂは、静電チャック２０内の電極２０ａの下に埋設されている。ヒータ２０ｂには、電源５１が接続され、電源５１からの電圧が印加されると、ヒータ２０ｂが加熱される。
本実施形態では、基台１８の載置面に静電チャック２０が載置され、静電チャック２０の載置面に基板Ｗが載置されるが、これに限られない。例えば、載置台１４に静電チャック２０が設けられない場合、基台１８の載置面１８ａに基板Ｗが載置される。
基台１８の周縁部上には、基板Ｗの周囲にてエッジリング２５が配置される。エッジリング２５は、フォーカスリングともいう。エッジリング２５は、基板Ｗに対するプラズマ処理の面内均一性を向上させる。エッジリング２５は、シリコン、炭化シリコン、又は石英などから形成され得る。
基台１８の内部には、載置面１８ａに沿って流路１９が形成されている。流路１９には、チャンバ１０の外部に設けられているチラーユニット（図示しない）から配管２２ａを介して熱交換媒体が供給される。以下、熱交換媒体の一例として冷媒を挙げて説明する。冷媒は、配管２２ａを流れ、冷媒の供給口１９ｃから流路１９に供給され、排出口１９ｄまで通流し、配管２２ｂを介してチラーユニットに戻される。基板処理装置１では、静電チャック２０上に載置された基板Ｗの温度が、冷媒と基台１８との熱交換により調整される。以下では、流路１９の上面を１９ａの符号で示し、流路１９の下面を１９ｂの符号で示す。
基板処理装置１には、ガス供給ライン２４が設けられている。ガス供給ライン２４は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス（例えばＨｅガス）を、静電チャック２０の上面と基板Ｗの裏面との間に供給する。
基板処理装置１は、上部電極３０を更に備える。上部電極３０は、載置台１４の上方に設けられている。上部電極３０は、部材３２を介して、チャンバ本体１２の上部に支持されている。部材３２は、絶縁性を有する材料から形成される。上部電極３０と部材３２は、チャンバ本体１２の上部開口を閉じている。
上部電極３０は、天板３４及び支持体３６を含み得る。天板３４の下面は、内部空間１０ｓの側の下面であり、内部空間１０ｓを画成する。天板３４は、発生するジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から形成され得る。天板３４は、天板３４をその板厚方向に貫通する複数のガス吐出孔３４aを有する。
支持体３６は、天板３４を着脱自在に支持する。支持体３６は、アルミニウムなどの導電性材料から形成される。支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。支持体３６は、ガス拡散室３６ａから下方に延びる複数のガス孔３６ｂを有する。複数のガス孔３６ｂは、複数のガス吐出孔３４ａにそれぞれ連通している。支持体３６には、ガス導入口３６ｃが形成されている。ガス導入口３６ｃは、ガス拡散室３６ａに接続している。ガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２、流量制御器群４４、及びガスソース群４０が接続されている。ガスソース群４０、バルブ群４２、及び流量制御器群４４は、ガス供給部を構成している。ガスソース群４０は、複数のガスソースを含む。バルブ群４２は、複数の開閉バルブを含む。流量制御器群４４は、複数の流量制御器を含む。流量制御器群４４の複数の流量制御器の各々は、マスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器である。ガスソース群４０の複数のガスソースの各々は、バルブ群４２の対応の開閉バルブ、及び流量制御器群４４の対応の流量制御器を介して、ガス供給管３８に接続されている。
基板処理装置１では、チャンバ本体１２の内壁面及び支持部１３の外周に沿って、シールド４６が着脱自在に設けられている。シールド４６は、チャンバ本体１２に反応副生物が付着することを防止する。シールド４６は、例えば、アルミニウムから形成された母材の表面に耐腐食性を有する膜を形成することにより構成される。耐腐食性を有する膜は、酸化イットリウムなどのセラミックスから形成され得る。
支持部１３とチャンバ本体１２の側壁との間には、バッフルプレート４８が設けられている。バッフルプレート４８は、例えば、アルミニウムから形成された母材の表面に耐腐食性を有する膜（酸化イットリウムなどの膜）を形成することにより構成される。バッフルプレート４８には、複数の貫通孔が形成されている。バッフルプレート４８の下方、且つ、チャンバ本体１２の底部には、排気口１２ｅが設けられている。排気口１２ｅには、排気管５２を介して排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、圧力調整弁及びターボ分子ポンプなどの真空ポンプを含む。
基板処理装置１は、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４を備えている。第１の高周波電源６２は、第１の高周波電力を発生する電源である。第１の高周波電力は、プラズマの生成に適した周波数を有する。第１の高周波電力の周波数は、例えば２７ＭＨｚ～１００ＭＨｚの範囲内の周波数である。第１の高周波電源６２は、整合器６６及び電極プレート１６を介して基台１８に接続されている。整合器６６は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（基台１８側）のインピーダンスを整合させるための回路を有する。なお、第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して、上部電極３０に接続されていてもよい。第１の高周波電源６２は、一例のプラズマ生成部を構成している。
第２の高周波電源６４は、第２の高周波電力を発生する電源である。第２の高周波電力は、第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数を有する。第１の高周波電力と共に第２の高周波電力が用いられる場合には、第２の高周波電力は基板Ｗにイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力として用いられる。第２の高周波電力の周波数は、例えば４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数である。第２の高周波電源６４は、整合器６８及び電極プレート１６を介して基台１８に接続されている。整合器６８は、第２の高周波電源６４の出力インピーダンスと負荷側（基台１８側）のインピーダンスを整合させるための回路を有する。
なお、第１の高周波電力を用いずに、第２の高周波電力を用いて、即ち、単一の高周波電力のみを用いてプラズマを生成してもよい。この場合には、第２の高周波電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚよりも大きな周波数、例えば４０ＭＨｚであってもよい。基板処理装置１は、第１の高周波電源６２及び整合器６６を備えなくてもよい。第２の高周波電源６４は一例のプラズマ生成部を構成する。
基板処理装置１においてガスが、ガス供給部から内部空間１０ｓに供給されて、プラズマを生成する。また、第１の高周波電力及び／又は第２の高周波電力が供給されることにより、上部電極３０と基台１８との間で高周波電界が生成される。生成された高周波電界がプラズマを生成する。
基板処理装置１は、制御部８０を更に備え得る。制御部８０は、プロセッサ、メモリなどの記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備えるコンピュータであり得る。制御部８０は、基板処理装置１の各部を制御する。制御部８０では、入力装置を用いて、オペレータが基板処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、制御部８０では、表示装置により、基板処理装置１の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、記憶部には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、基板処理装置１で各種処理を実行するために、プロセッサによって実行される。プロセッサが、制御プログラムを実行し、レシピデータに従って基板処理装置１の各部を制御する。
［流路］
基台１８の内部に設けられた流路１９に、所定の温度に冷却された冷媒を流すことによって基板Ｗを冷却する。基台１８の内部にはリフトピン等の貫通孔等があるため、流路１９の設計時には貫通孔等をよけて流路を設計する。このため、流路は複雑になり、貫通孔をよけた流路部分等が基板温度の特異点となって抜熱均一性が悪くなる場合がある。
そこで、本実施形態に係る載置台１４では、流路１９の位置によって流路１９の垂直方向の断面形状を変化させる。本明細書において流路１９の断面形状とは、基台１８の載置面１８ａと垂直方向の流路１９の断面の形状をいう。
本実施形態では、流路１９の断面形状は、流路１９の位置に応じて異なる。例えば、抜熱が悪い箇所は相対的に流路１９の断面積を小さくして流速を上げ、抜熱が良い箇所は相対的に流路１９の断面積を大きくして流速を下げる。これにより、抜熱を載置面１８ａ内で制御し、抜熱むらをなくす。以下、本実施形態に係る基台１８の流路１９の断面形状と抜熱均一性の制御について行ったシミュレーションについて詳細を説明する。
［載置面の温度と流路の高さとの関係式］
次に、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの関係式を導出した結果について、図２を参照して説明する。図２は、一実施形態に係る載置面の温度分布を示す関係式の一例を示す図である。
図２（ａ）は、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの関係式を導出するためのシミュレーションモデルを示す。シミュレーションモデルでは、流路１９０に５０℃に制御した冷媒を流す。流路１９０は、アルミニウムの基台１８０内に形成されている。基台１８０の載置面１８０ａから１２０℃の入熱があるように設定した。また、載置面１８０ａから流路１９０まで厚さは３．５ｍｍに設定した。
図２（ｂ）は、このモデルに基づきシミュレーションを行った結果導出された、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの関係式及びその関係式を示すグラフの一例である。かかる関係式は、次の３つの方程式（連続の式：式（１））、運動量方程式：式（２））（ＮＳ方程式）、エネルギー方程式：式（３））を解くことで導出した。
Figure 0007365815000001
Figure 0007365815000002
Figure 0007365815000003
図２（ｂ）の横軸は流路１９の高さを示し、縦軸は基台１８の載置面１８ａの温度を示す。これによれば、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとには線形関係があり、関係式はｙ＝０．７４ｘ＋２４．４４２で示される。載置面１８ａの温度と流路１９の高さとが線形関係になる理由について、図３を参照しながら説明する。図３は、一実施形態に係る基台１８の載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの線形関係を説明するための図である。
図３（ａ）に模式的に示した基台１８及び流路１９の構造に対して、基台１８の載置面１８ａ側からヒータ又はプラズマ等により熱量Ｑの入熱があったときを想定する。基台１８の載置面１８ａから流路１９の上面１９ａまでの高さをｈ'、流路１９の上面１９ａから下面１９ｂまでの高さをｈ、流路１９の幅をｗとする。
図３（ｂ）に示すチラーユニットから出力された冷媒の温度と基台１８の載置面１８ａの温度との温度差ΔＴは、単位面積当たりの熱回路方程式を解くことにより次のように求められる。以下の式では、アルミニウムで形成された基台１８の熱伝導率をλ'、流路１９と基台１８との界面の熱伝達係数をα、図３（ａ）のシミュレーションモデルにおける合成熱抵抗をＲとする。なお、流路１９と基台１８との界面の熱抵抗は熱伝達係数αの逆数に等しい。
ΔＴ＝ＱＲ＝Ｑ（（ｈ'／λ'）＋（１／α））・・・式（４）
レイノルズ数Ｒｅは、冷媒の速度をｖ、代表長さをＬ、動粘度をμとすると式（５）にて示される。
Ｒｅ＝ｖＬ／μ・・・式（５）
流路１９を流れる冷媒の流量をｑとすると、流路１９内の冷媒の速度ｖは、式（６）にて示される。
ｖ＝ｑ／ｈｗ・・・式（６）
代表長さＬは、抜熱に寄与する長さであるから、流路１９の幅ｗを一定とすると、代表長さＬは流路１９の高さｈに等しく、Ｌ＝ｈが成り立つ。
以上から、レイノルズ数Ｒｅは、式（５）、式（６）、Ｌ＝ｈから以下のように変換できる。
Ｒｅ＝ｑ／ｗμ・・・式（７）
式（７）は、レイノルズ数Ｒｅは流路１９の高さによらず一定であることを示す。
また、ヌセルト数Ｎｕは、式（８）にて示される。
Ｎｕ＝０.６６４Ｒｅ1/２Ｐｒ1/3・・・式（８）
Ｐｒはプラントル数である。レイノルズ数Ｒｅは流路１９の高さによらず一定であるため、式（８）は、ヌセルト数Ｎｕは流路１９の高さによらず一定であることを示す。
熱伝達率（熱伝達係数）αは、式（９）にて示される。
α＝Ｎｕλ／ｈ・・・式（９）
λは熱伝導率であり、式（９）から熱伝達率αが流路１９の高さｈに反比例することがわかる。式（９）を式（４）に代入すると、式（１０）が導かれる。
ΔＴ＝Ｑ（（ｈ'／λ'）＋（ｈ／Ｎｕλ））・・・式（１０）
基台１８の載置面１８ａから流路１９の上面１９ａまでの高さｈ'が一定である場合、高さｈ'を、載置面１８ａから流路１９の上面１９ａまでのアルミニウム（基台１８）の熱伝導率λ'で除算したｈ'／λ'は一定となる。よって、式（１０）から、流路１９内を流れる冷媒の温度と基台１８の載置面１８ａの温度との温度差ΔＴは、流路１９の高さｈに比例することがわかる。以上から、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとは比例し、線形関係になることが証明された。
［載置面の温度と流路の高さとの関係式に基づく流路の高さの最適化］
以上の結果から、本実施形態では、載置面１８ａの温度と流路の高さとの関係式を参照して載置面１８ａの温度分布に対して温度の均一性を図るために流路１９の高さを決定する。つまり、本実施形態では、載置面１８ａの温度が相対的に高い部分に対応する流路１９の高さ方向の長さは、載置面１８ａの温度が相対的に低い部分に対応する流路１９の高さ方向の長さよりも短くする。
載置面１８ａの温度と流路の高さとの関係式は予め収集した載置面１８ａの温度分布に基づき予め設定される。なお、載置面１８ａの温度と流路の高さとの関係式は、載置面１８ａの温度と流路の高さとの関係を示す情報の一例であり、載置面１８ａの温度と流路の高さとの関係を示す情報は、制御部８０内の記憶部に記憶されてもよい。
載置面１８ａの温度分布は、ヒータパターン、貫通孔、供給口１９ｃ、排出口１９ｄなどの位置に応じて決まる。よって、流路１９の高さの最適化は、測定した載置面１８ａの温度分布のデータに基づき、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの関係式を参照して行う。つまり、測定した載置面１８ａの温度分布と関係式とから、流路１９の各位置における高さを変えることにより流路１９の断面積を変え、これにより冷媒の流速を変える。これにより抜熱量を変えることで載置面１８ａの温度の面内均一性を高めることができる。
載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの関係式を参照して流路１９の高さを決定する工程は、載置面１８ａの温度と流路１９の高さとの関係を示す情報に基づき流路１９の断面形状を決定する工程の一例である。載置面１８ａの温度が相対的に高い部分に対応する流路１９の断面積は、載置面１８ａの温度が相対的に低い部分に対応する流路１９の断面積よりも小さくてよい。流路１９の断面形状を変えることにより流路１９の断面積を変え、これにより冷媒の流速を変え、これにより抜熱量を変えることで載置面１８ａの温度の面内均一性を高めることができる。なお、供給口１９ｃから排出口１９ｄまでの間の流路１９の上面１９ａの幅ｗは一定である。
次に、載置面の温度と流路の高さとの関係式に基づく流路の高さの最適化と、シミュレーション結果の一例について、図４を参照しながら説明する。図４は、一実施形態に係る流路の高さの最適化とシミュレーション結果の一例を示す図である。
次のシミュレーションでは、流路１９の上面１９ａの幅、形状、載置面１８ａから上面１９ａまでの距離は同じにすることで入熱側の熱抵抗を揃えた。そして、流路１９の下面１９ｂの高さをさらに最適化した。具体的には、図４（ａ）の比較例では、流路１９の高さを一律の１０ｍｍに設定した。これに対して、図４（ｂ）の本実施形態では、流路１９の高さを図２（ｂ）に示すグラフの式に基づき、載置面１８ａの温度分布に応じて５ｍｍ～１４ｍｍの間で最適化した。
かかる場合において、チラーユニットで５０℃に制御した冷媒を流路１９に流し、静電チャック２０に設けたヒータ２０ｂを熱源としてヒータからの発熱量を一定に制御し、セラミックスの静電チャック２０の温度を１２０℃に設定した。このときのシミュレーション結果によれば、基台１８の載置面１８ａにおける温度差は、図４（ａ）の比較例の場合に比べ、図４（ｂ）の本実施形態の場合、８３％に低減した。
プラズマやヒータにより上部から基台１８に入熱がある場合、載置面１８ａと流路１９における温度差は熱抵抗及び熱伝達率に起因して発生する。つまり、基台１８に熱が伝わるときに載置面１８ａと流路１９の上面１９ａとの間の基台１８の熱抵抗によって発生する温度差と、基台１８から流路１９内の流体に熱が伝達するときの熱伝達率に応じた温度差とがある。本実施形態では、以上に説明したように、載置面１８ａと流路１９の上面１９ａとの間の基台１８の熱抵抗を一定にして、流路１９内の流体に熱が伝達するときの熱伝達率を操作する。このとき、熱伝達率は流速に比例する。流路１９の上面１９ａは一定である場合、冷媒の流速を決めるのは流路１９の高さであるから、本実施形態では、流路１９の高さを最適化することで、熱伝達率を操作し、これにより抜熱むらをなくすことができる。
［載置面の温度と載置面から流路までの距離］
（流路形状とシミュレーション結果）
まず、流路１９の断面形状を変える一例として流路１９の高さを変えた場合の基台１８表面の温度分布についてシミュレーションを行った結果について、図５を参照しながら説明する。図５は、一実施形態に係る流路の高さと基台１８の載置面１８ａの温度分布のシミュレーション結果の一例を示す図である。
図５（ａ）に示す流路構造Ａ及び図５（ｂ）に示す流路構造Ｂは、それぞれの上面図に示すように基台１８内にて渦巻状に形成される。流路構造Ａの場合、流路１９の上面１９ａと載置面１８ａとの距離は、冷媒の供給口１９ｃから排出口１９ｄまでの間で一定でなく、上面１９ａの高さに応じて異なる。流路構造Ｂの場合、流路１９の上面１９ａに高さの違いはなく、流路１９の上面１９ａと載置面１８ａとの距離は、冷媒の供給口１９ｃから排出口１９ｄまでの間一定である。
また、いずれも、抜熱が悪い箇所は流路１９の断面積を小さくして流速を上げ、良い箇所は流速を下げるように流路１９の高さ方向の長さを設計した。上面１９ａから下面１９ｂまでの流路の高さ（長さ）を１０ｍｍと９ｍｍとの間で流路１９の位置によって変える場合、流路構造Ａでは流路１９の上面１９ａに段差を設けて変えたのに対して流路構造Ｂでは流路１９の下面１９ｂに段差を設けて変えた点で異なる。
かかる場合において、チラーユニットで５０℃に制御した冷媒を流路１９に流し、静電チャック２０に設けたヒータ２０ｂを熱源としてヒータからの発熱量を一定に制御し、セラミックスの静電チャック２０の温度を１２０℃に設定した。このときのシミュレーション結果では、流路構造Ａの場合、基台１８の載置面１８ａにおける温度差は最大で５．７３℃であった。これに対して、流路構造Ｂの場合、載置面１８ａにおける温度差は最大で５．１６℃であった。なお、以上のシミュレーションではヒータを熱源としたが、プラズマを生成し、プラズマからの入熱を載置台１４に与えてもよい。
上記シミュレーションの結果から、流路の高さによって流路１９を流れる冷媒の速度を変えることで載置面１８ａの温度分布を制御できることがわかった。また、載置面１８ａにおける温度差は、流路１９の下面１９ｂをフラットに揃えて上面１９ａに段差を設けた流路構造Ａの場合に比べ、流路１９の上面１９ａをフラットに揃えて下面１９ｂに段差を設けた流路構造Ｂの場合、約９０％に低減した。すなわち、流路１９の上面１９ａをフラットに揃えて下面１９ｂに段差を設けた流路構造Ｂの方が、流路１９の下面１９ｂをフラットに揃えて上面１９ａに段差を設けた流路構造Ａよりも載置面１８ａの温度均一性がよくなることがわかった。
以上の結果から、抜熱が悪い箇所は流路１９の高さ方向の長さを短くして流速を上げ、良い箇所は流路１９の高さ方向の長さを長くして流速を下げるようにして抜熱を載置面１８ａ内で制御することで基台１８内の抜熱むらをなくすことができることがわかった。
加えて、基台１８内の流路１９の下面１９ｂを揃え、流路１９の上面１９ａの高さを変えた場合、入熱側の基台１８の熱抵抗が変わってしまうため、基板の温度制御が難しいことがわかった。
また、図５（ａ）の流路構造Ａに示すように、流路１９の上面１９ａの高さを変えた場合、載置台１４に印加する高周波電力のパワーが高くなるほど温度の特異点が現れやすくなり、基台１８の載置面１８ａの温度の面内均一性が悪くなる。これにより、基板Ｗの面内均一性が悪化する。
以上から、図５（ｂ）の流路構造Ｂに示すように、流路１９の上面１９ａの高さを揃え、熱流速（Ｗ／ｍ２）の方向が一定になるような形状で流路１９の断面形状を変化させる方が基台１８の載置面１８ａの温度の面内均一性を良くすることができる。
［変形例に係る流路］
次に、一実施形態の変形例に係る流路１９の断面形状について、図６を参照して説明する。図６は、一実施形態の変形例に係る流路１９の断面形状の一例を示す図である。図６（ａ）～（ｃ）は、流路１９の上面１９ａがフラットである。図６（ａ）～（ｃ）では、流路１９の上面１９ａの位置は変えず、下面１９ｂの高さを変えることで流路１９の断面形状を変えて流速を変化させ、これにより、流路１９における抜熱を制御する例である。流路１９の下面１９ｂは図６（ａ）のフラットに限られず、図６（ｂ）及び（ｃ）に示すように傾斜を有してもよい。
図６（ｄ）～（ｇ）は、流路１９の上面１９ａが傾斜又はラウンド形状等のフラット以外の形状である。図６（ｄ）～（ｇ）では、流路１９の上面１９ａの位置は変えず、下面１９ｂの高さを変えることで流路１９の断面形状を変えて流速を変化させ、これにより、流路１９における抜熱を制御する例である。流路１９の下面１９ｂは図６（ｄ）のフラットに限られず、図６（ｅ）～（ｇ）に示すように傾斜又はラウンド形状等のフラット以外の形状を有してもよい。
図６（ｈ）～（ｋ）は、流路１９の上面１９ａがフラットである。図６（ｈ）～（ｋ）では、流路１９の上面１９ａの位置は変えず、流路１９の下面１９ｂの高さも変えずに、流路１９の断面形状を変えて流速を変化させ、これにより、流路１９における抜熱を制御する例である。図６（ｈ）の流路１９は、下面１９ｂの両端部に断面が矩形の凹み部を有する。図６（ｉ）の流路１９は、下面１９ｂの両端部に断面が三角形の凹み部を有する。図６（ｊ）の流路１９は、下面１９ｂの両端部よりも上の両側面に断面が矩形の凹み部を有する。図６（ｋ）の流路１９は、下面１９ｂに断面が矩形の３つの凹み部を有する。
以上に説明した本実施形態の変形例に係る流路１９の断面によっても、流路１９の上面１９ａの位置は変えず、下面１９ｂの高さや流路１９の断面形状を変えることで冷媒の流速を変化させ、これにより、流路１９における抜熱を制御することができる。
以上では、冷媒が、冷媒の供給口１９ｃから流路１９に供給され、排出口１９ｄまで通流する際、冷媒の温度は供給口１９ｃと排出口１９ｄとで一定であるとして説明した。
供給口１９ｃと排出口１９ｄとで冷媒の温度差が生じている場合、冷媒の温度差も考慮して流路１９の高さを適正化することが好ましい。例えば、図７及び図８の例では、基台１８内の流路１９の供給口１９ｃにおける冷媒の温度がＴＬ１であり、排出口１９ｄにおける冷媒の温度がＴＬ２であったとする。このとき、供給口１９ｃと排出口１９ｄとの冷媒の温度差ΔＴＬは、ＴＬ２－ＴＬ１で示される。
このとき、図７（ｂ）に示すように流路１９の断面積が一定の場合、図７（ｃ）に示す冷媒の速度は一定になる。このとき、基板Ｗの供給口１９ｃに対向する基板Ｗの端部の温度Ｔｗ１と、排出口１９ｄに対向する基板Ｗの端部の温度Ｔｗ２との間の温度差をΔＴｗとする。図７（ａ）に示す基台１８における抜熱量は、基台１８と流路１９との界面における熱伝達係数αの逆数と、載置面１８ａから流路１９の上面１９ａまでの熱抵抗Ｒとから生じる温度差ΔＴｗに冷媒の温度差ΔＴＬを減算したΔ（Ｔｗ－ＴＬ）に比例する。ここで、流路１９の断面積は一定であるため、供給口１９ｃと排出口１９ｄとの間において、熱抵抗は同じ値（＝１／α）となる。
これに対して、図８に示すように、流路１９の下面の高さが供給口１９ｃで最も広く、排出口１９ｄに向かって狭くなる場合、図８（ｂ）に示すように流路１９の断面積は供給口１９ｃから排出口１９ｄに向かって徐々に狭くなる。この場合、図８（ｃ）に示す冷媒の速度は供給口１９ｃで最も遅く、排出口１９ｄに向かって徐々に速くなる。図８（ａ）に示す基台１８における抜熱量は、基台１８と流路１９との界面における各位置の熱伝達係数α''、α'、αの逆数と、載置面１８ａから上面１９ａまでの熱抵抗Ｒとから生じる温度差ΔＴｗに冷媒の温度差ΔＴＬを減算したΔ（Ｔｗ－ＴＬ）に比例する。ここで、供給口１９ｃから排出口１９ｄへ向かって流路１９の断面積は狭くなる。これにより、供給口１９ｃから排出口１９ｄへ向かって流速が速くなるため、供給口１９ｃと排出口１９ｄとの間において、流路１９における熱伝達係数の逆数は、１／α''＞１／α'＞１／αの大小関係となる。
このように供給口１９ｃと排出口１９ｄとで冷媒の温度差ΔＴＬが生じている場合、これを考慮して、流路１９の下面１９ｂの高さを変える。これにより、基板Ｗの温度Ｔｗ１が一定になるように流路１９の各ポイントにおける熱伝達係数α''、α'、αを制御する。これにより、流路１９の各ポイントにおける抜熱量を制御することで、基板Ｗの温度の面内均一性を更に高めることができる。なお、この場合にも流路１９の上面１９ａを一定にし、流路１９の上面１９ａと載置面１８ａとの距離は、供給口１９ｃから排出口１９ｄまでの間一定にする。これにより、流路１９の上面１９ａと載置面１８ａとの間の熱抵抗Ｒを一定に保持する。
なお、本実施形態に係る流路の下面の制御は、エッジリング２５の下方の基台１８内に流路を設けた場合にも適用できる。例えば、基台１８のエッジリング２５が載置される載置面に沿って流路を設け、その流路の下面を変化させて、流路に流れる冷媒の流速を制御し、これにより、エッジリング２５の温度をより均一に制御してもよい。エッジリング２５の下方の基台１８内に設けた流路と流路１９とに流す冷媒の流量比を制御することで、さらに基板Ｗの温度の面内均一性を高めることができる。
以上に説明したように、本実施形態の載置台１４及び基板処理装置１によれば、載置台１４内の流路における抜熱を制御することができる。これにより、基板Ｗの温度の面内均一性を高めることができる。
今回開示された一実施形態に係る載置台及基板処理装置は、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。
本開示の基板処理装置は、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置でも適用可能である。
また、基板処理装置１の一例としてプラズマ処理装置を挙げて説明したが、基板処理装置は、プラズマ処理装置に限定されるものではない。例えば、基板処理装置１は、プラズマを生成せず、ヒータ等の加熱機構により基板Ｗを熱処理する熱処理装置、例えば、熱ＡＬＤ装置、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置等であってもよい。また、基板処理装置１は、エッチング装置であってもよいし、成膜装置であってもよい。
１ 基板処理装置
１４ 載置台
１６ 電極プレート
１８ 基台
１９ 流路
１９ａ 流路の上面
１９ｂ 流路の下面
１９c 冷媒の供給口
１９ｄ 冷媒の排出口
２０ 静電チャック
２２ａ、２２ｂ 配管
３０ 上部電極
３２ 部材
３４ 天板
３６ 支持体
３８ ガス供給管
４０ ガスソース群
４２ バルブ群
４４ 流量制御器群
４６ シールド
４８ バッフルプレート
８０ 制御部
Ｗ 基板

Claims (7)

  1. 静電チャックに基板を載置する載置台であって、
    基台と、前記基台の載置面に載置される前記静電チャックと、前記載置面に沿って内部に形成され、熱交換媒体の供給口から排出口まで熱交換媒体が通流する流路と、を有し、
    前記流路の上面と前記載置面との距離は、前記供給口から前記排出口までの間一定であり、
    前記供給口から前記排出口までの間の前記流路の上面の幅は一定であり、
    前記上面と垂直方向の前記流路の断面形状は、前記流路の位置に応じて異なり、
    前記熱交換媒体の温度と前記基台の載置面の温度との温度差をΔＴとしたとき、以下の式（Ａ）に基づき、前記流路の位置に応じた前記基台の載置面の温度が所定の温度となるように前記流路の位置に応じた前記流路の高さ方向の長さが定まる、載置台。
    ΔＴ＝Ｑ（（ｈ'／λ'）＋（ｈ／Ｎｕλ））・・・式（Ａ）
    ΔＴ：熱交換媒体の温度と基台の載置面の温度との温度差
    Ｑ ：基台の載置面へ入熱する熱量
    ｈ' ：基台の載置面から流路の上面までの高さ（一定）
    λ' ：基台の熱伝導率（一定）
    ｈ ：流路の高さ方向の長さ
    Ｎｕ：ヌセルト数
    λ ：熱伝導率
  2. 前記載置面の温度が相対的に高い部分に対応する前記流路の断面積は、前記載置面の温度が相対的に低い部分に対応する前記流路の断面積よりも小さい、
    請求項１に記載の載置台。
  3. 前記載置面の温度が相対的に高い部分に対応する前記流路の高さ方向の長さは、前記載置面の温度が相対的に低い部分に対応する前記流路の高さ方向の長さよりも短い、
    請求項１又は２に記載の載置台。
  4. 前記流路の高さ方向の長さは、前記流路の下面の高さを変更することにより定める、
    請求項３に記載の載置台。
  5. プラズマ処理又は熱処理が行われるチャンバと、前記チャンバの内部にて静電チャックに基板を載置する載置台と、を有する基板処理装置であって、
    前記載置台は、基台と、前記基台の載置面に載置される前記静電チャックと、前記載置面に沿って内部に形成され、熱交換媒体の供給口から排出口まで熱交換媒体が通流する流路と、を有し、
    前記流路の上面と前記載置面との距離は、前記供給口から前記排出口までの間一定であり、
    前記供給口から前記排出口までの間の前記流路の上面の幅は一定であり、
    前記上面と垂直方向の前記流路の断面形状は、前記流路の位置に応じて異なり、
    前記熱交換媒体の温度と前記基台の載置面の温度との温度差をΔＴとしたとき、以下の式（Ａ）に基づき、前記流路の位置に応じた前記基台の載置面の温度が所定の温度となるように前記流路の位置に応じた前記流路の高さ方向の長さが定まる、基板処理装置。
    ΔＴ：熱交換媒体の温度と基台の載置面の温度との温度差
    Ｑ ：基台の載置面へ入熱する熱量
    ｈ' ：基台の載置面から流路の上面までの高さ（一定）
    λ' ：基台の熱伝導率（一定）
    ｈ ：流路の高さ方向の長さ
    Ｎｕ：ヌセルト数
    λ ：熱伝導率
  6. 静電チャックに基板を載置する載置台であって、
    基台と、前記基台の載置面に載置される前記静電チャックと、前記載置面に沿って内部に形成され、熱交換媒体の供給口から排出口まで熱交換媒体が通流する流路と、を有し、
    前記流路の上面と前記載置面との距離は、前記供給口から前記排出口までの間一定であり、
    前記上面と垂直方向の前記流路の断面形状は、前記流路の位置に応じて異なり、前記流路の前記断面形状の断面積は前記供給口から前記排出口に向かって徐々に狭くなる、載置台。
  7. 前記供給口から前記排出口までの間の前記流路の上面の幅は一定であり、
    前記流路の高さ方向の長さは、前記供給口から前記排出口に向かって徐々に狭くなる、
    請求項６に記載の載置台。
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