JPWO2004025199A1 - 処理装置，および，処理装置のメンテナンス方法 - Google Patents

Abstract

設置面積の縮小を図るとともに，省エネルギ化を図ること，冷凍回路の冷媒にＰＦＣを用いず，地球温暖化の防止を図ることの可能な処理装置の電極用温調装置を提供する。処理装置１００の電極用温調装置として，圧縮機１４８と凝縮器１４２と膨張弁１５０と蒸発器１０８とから成る冷凍回路１１０を備え，蒸発器を下部電極１０６内に配したことを特徴とする。冷媒を貯蔵しておく冷媒タンクや，冷媒を処理装置に送出するためのポンプ，冷媒を温調するためのヒータ，あるいは，一次冷媒と二次冷媒との間で熱交換を行うための熱交換器などの構成部品を備える必要がない。このため，コストの削減、装置の小型化による設置面積の縮小，さらには，省エネルギ化を図ることが可能である。また，冷媒をＣＯ２とすることにより，ＧＷＰをフロンの１／８０００〜１／７０００程度にすることができる。

Description

本発明は，処理装置，および，処理装置のメンテナンス方法に関する。

従来，半導体装置やＬＣＤ基板などの製造工程においては，プラズマエッチング装置などの各種処理装置が使用されている。例えば，プラズマエッチング装置は，真空処理室内において所定の処理ガスをプラズマ化し，電極（下部電極）上に載置された半導体ウェハやガラス基板などの被処理体に対してエッチング処理を施すものである。そして，処理にあたっては，プラズマによる被処理体の温度上昇を抑えたり，あるいは，エッチングのアスペクト比を高めたり，エッチング形状を整えたりするために，被処理体を所定温度に維持している。
被処理体の温度管理は，一般に，電極に設けられた冷却機構により行われている。かかる冷却機構は，一次冷媒（例えば，ブライン）を載置台内に巡らされた冷媒循環路に送り込み，その一次冷媒が熱を吸収することにより被処理体を冷却する構成を採用している。一次冷媒は，二次冷媒（例えば，フロン）が循環する冷凍回路により温調される。そして，冷凍回路により温調された冷媒タンク内の一次冷媒はポンプにより冷媒循環路に送りこまれ，冷媒循環路から戻された一次冷媒は冷凍回路により温調され冷媒タンクに送り込まれる。そして，冷媒タンク内あるいは冷媒タンクから冷媒循環路に送り込まれる一次冷媒の温度を監視して，その温度が所定温度になるように冷凍回路の駆動制御を行っている。
このような，一次冷媒の循環回路と二次冷媒の循環回路とを組み合わせてなる多元冷凍サイクルの一例として，例えば，日本国特許公開公報，特開平８−２０３８６６に開示されたものがある。
ところで，上記構成からなる処理装置の冷却機構では，冷媒タンクやポンプ等から成る一次冷媒の循環回路と，圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とから成る冷凍回路（二次冷媒の循環回路）の２つの回路が必要とされるため，装置の設置面積が増大するという問題点があった。また，２つの回路から成る構成では，被処理体と一次冷媒との間，一次冷媒と二次冷媒との間，二次冷媒と外界との間，と熱交換の回数が多くなり，エネルギロスに繋がるという問題点もあった。
また，上記構成からなる処理装置の冷却機構でば，例えば，一次冷媒としてブラインを用い，二次冷媒としてフロンを用いている。これらガスはＰＦＣ（Ｐｅｒ−Ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）と呼ばれ，ＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ：地球温暖化係数）が大きく，地球温暖化に大きな影響を与えるガスである。地球環境の保全が求められる中，かかるＰＦＣの使用削減が急務になっている。

本発明は，従来の処理装置の冷却機構が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，処理装置の電極用温調装置の小型化を図り，設置面積の縮小を図るとともに，省エネルギ化を図ることの可能な，新規かつ改良された処理装置の電極用温調装置を提供することである。
さらに，本発明の別の目的は，冷凍回路の冷媒にＰＦＣを用いず，地球温暖化の防止を図ることの可能な，新規かつ改良された処理装置を提供することである。
さらにまた，本発明の別の目的は，上述の優れた効果を奏する処理装置の好適なメンテナンス方法を提供することである。
上記課題を解決するため，本発明によれば，処理室内に被処理体を載置可能な電極と，圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とから成り，ＣＯ_２を冷媒として電極を冷却する冷凍回路と，を備え，蒸発器は電極内に配された螺旋状の伝熱性壁体により構成される冷媒流路であるとともに，冷凍回路の膨張弁から蒸発器に至る経路には，膨張弁側経路，冷媒回収経路，蒸発器側経路のうち任意の２つの経路を選択的に連通可能な三方弁が配されており，冷凍回路の蒸発器から圧縮機に至る経路には開閉弁が配されていることを特徴とする処理装置が提供される。
かかる構成によれば，冷凍回路の構成部品を少なくすることができる。具体的には，上述のように，冷媒を貯蔵しておく冷媒タンクや，冷媒を処理装置に送出するためのポンプ，冷媒を温調するためのヒータ，あるいは，一次冷媒と二次冷媒との間で熱交換を行うための熱交換器などの構成部品を備える必要がない。このため，コストの削減，装置の小型化による設置面積の縮小，さらには，省エネルギ化を図ることが可能である。
また，冷凍回路の膨張弁から蒸発器に至る経路には，膨張弁側経路，冷媒回収経路，蒸発器側経路のうち任意の２つの経路を選択的に連通可能な三方弁が配されており，冷凍回路の蒸発器から圧縮機に至る経路には開閉弁が配されているので，冷媒を冷媒回収経路に連通し回収することにより，電極のメンテナンスを容易に行うことができる。
また，冷凍回路の冷媒として，ＣＯ_２を用いることにより，ＧＷＰをフロンの１／８０００〜１／７０００程度にすることができる。さらに，蒸発器は，電極内に配された螺旋状の伝熱性壁体により構成される冷媒流路として構成することができる。冷媒流路が電極内に螺旋状に配されることにより，被処理体の温度の均一化を図り，被処理体の温度制御を容易に行うことができる。
また，冷媒流路を，下流に向かうにつれ流路が狭くなるように構成することにより，冷媒流路に冷媒の乱流を形成することができ，被処理体に効率的に熱を吸収させることができる。
処理装置のメンテナンスの際の電極の取り外し時の動作は，以下のように行うことが好ましい。すなわち，三方弁を膨張弁側経路と冷媒回収経路とが連通するように開放し，圧縮機を駆動して，冷媒を冷媒回収経路に回収し，冷媒回収後に開閉弁を閉止するとともに三方弁を閉止し，圧縮機を停止して，電極を取り外すことにより，処理装置のメンテナンスを行うことができる。
また，冷凍回路の運転再開時の動作は，以下のように行うことが好ましい。すなわち，取り外した電極を接続後，三方弁を冷媒回収経路と蒸発器側経路とが連通するように開放し，冷媒回収経路を介して三方弁から開閉弁に至る経路内を排気し，その後，三方弁を膨張弁側経路と蒸発器側経路とが連通するように開放し，開閉弁を開放し，圧縮機を駆動することにより，冷凍回路の運転を再開することができる。

図１は，エッチング装置および冷凍回路を示す概略的な断面図である。
図２は，下部電極を示す概略的な断面図である。
図３は，図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は，下部電極の取り外し作業の流れを示すフローチャートである。
図５は，冷凍回路の駆動時の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる処理装置，および，処理装置のメンテナンス方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する
本実施の形態では，下部電極に内装された冷媒循環路を伝熱性壁体により構成し，この冷媒循環路を冷凍回路の一構成要素たる蒸発器として機能させる点を第１の特徴としている。また，冷媒としてＣＯ_２を使用している点を第２の特徴としている。
（１）処理装置の電極用温調装置
まず，処理装置の一例としてプラズマエッチング装置１００を，図１を参照しながら説明する。
気密な処理容器１０２内に形成された処理室１０４内には，半導体ウェハ（以下，単にウェハという。）Ｗを載置可能な下部電極１０６が配置されている。下部電極１０６には，下部電極１０６を介してウェハＷを冷却して所定温度に維持するための冷媒循環路１０８が内装されている。下部電極１０６の上面（ウェハＷの載置面）には，冷却ガス通路１０７が形成されている。冷却ガス通路１０７には，ウェハＷと冷媒循環路１０８との間の伝熱効率を高めるための冷却ガスＣＧが導入されている。後述の冷凍回路１１０は，温調された冷媒としてのＣＯ_２を冷媒循環路１０８内に供給するとともに，冷媒循環路１０８内を循環した冷媒ＣＷを回収して再び温調する。
また，処理室１０４内には，下部電極１０６の載置面に対向して，上部電極１１２が配置されている。かかる構成により，高周波電源１１４から出力された高周波電力を整合器１１６を介して下部電極１０６に印加すると，処理ガス供給源Ｇ１１８から流量調整バルブＭＦＣ１２０と上部電極１１２に形成された多数のガス吐出孔１１２ａとを介して処理室１０４内に導入された処理ガスがプラズマ化する。かかるプラズマにより，下部電極１０６上で所定温度に維持されたウェハＷにエッチング処理が施される。処理室１０４内のガスは，排気系１２２から排気される。
上述のような，プラズマエッチング装置１００において，ウェハＷの温度制御を適切に行うためには，冷媒ＣＷの温度制御を厳密に行うとともに，冷媒ＣＷの温度をウェハＷに厳密に反映させる必要がある。ウェハＷの冷却効率（あるいは下部電極１０６の冷却効率）は，冷媒ＣＷの流量・圧力・流路に大きく影響される。このため，ウェハＷの冷却効率を向上させるためには，冷媒循環路１０８の形状等を工夫する必要がある。
冷媒循環路１０８について，図２，図３を参照しながら説明する。
図２は，下部電極１０６を示す概略的な断面図である。冷媒循環路１０８は，図２に示したように，下部電極１０６内に，アルミニウム等の伝熱性材料よりなるフィン（伝熱性壁体）１０８ａにより構成されている。かかる冷媒循環路１０８は，下部電極１０６上に載置されるウェハＷを冷却する機能を有するとともに，冷凍回路１１０の一構成要素たる蒸発器として機能する。
図３は，図２のＡ−Ａ断面図であり，冷媒循環路１０８の形状の概略を示したものである。冷媒循環路１０８は，図３に示したように，下部電極１０６内に螺旋状に配されている。図３中の矢印は，冷媒ＣＷの流れを示したものである。本実施の形態の蒸発器は，図３に示したように，流路の幅が一定でないことを特徴としている。図３では，冷媒循環路の形状の一例として，下流に向かうにつれ，すなわち，冷媒ＣＷが冷媒導入路１３２側から冷媒排出路１３６側へ向かうにつれ流路が狭くなる場合（ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄ）を示したものである。
一般に，弾性体（圧力とともに比容積が変化する圧縮性流体）の流動は，各流体片が流路内に平行して流動する層流（ｌａｍｉｎｅｒ ｆｌｏｗ）と流路の軸に直角方向にも不規則な運動をして流動する乱流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ）とに区別される。そして，冷媒ＣＷが効率的にウェハＷの熱を吸収するためには，冷媒ＣＷの乱流が形成される方が好ましいことが知られている。
そこで，本実施の形態では，図３に示したように，蒸発器の流路の幅を一定にせず，冷媒ＣＷに適当な圧力を掛けることにより，冷媒ＣＷの乱流を形成するようにしている。なお，図３は冷媒循環路の形状の一例を示したにすぎず，実際には，冷媒ＣＷの乱流を形成するための最適な形状（流路の幅等）は，シミュレーション等により求めることができる。冷媒循環路１０８を上述のように構成し，冷媒ＣＷの乱流が形成されることで，熱吸収を効率的に行うことでき，ウェハＷの温度制御を容易に行うことができる。
次いで，冷凍回路１１０について説明する。
冷凍回路１１０は，冷媒ＣＷがウェハＷとの間で熱交換を行うための上述の冷媒循環路（蒸発器）１０８と，冷媒ＣＷが冷却水との間で熱交換を行うための熱交換器（凝縮器）１４２と，冷媒循環路１０８，熱交換器１４２を通って冷媒循環路１０８，熱交換器１４２間で熱の受け渡しを行う冷媒ＣＷを循環させる熱交換路１４４から構成されている。また，熱交換路１４４には，ポンプ（圧縮機）１４８と，開閉バルブ（膨張弁）１５０が介装されている。ポンプ１４８には，冷凍回路１１０の駆動制御を行うためのインバータ１５２が接続されている。
開閉バルブ１５０から冷媒循環路１０８へ至る経路には，三方弁１３４と，冷媒ＣＷの温度を検出する温度検知器Ｔｈが配されている。三方弁１３４は，冷媒循環路１０８へ至る経路（冷媒供給路１３２），熱交換器１４２へ至る経路（熱交換路１４４），真空ポンプ１３５へ至る経路（冷媒回収路１４６）のうち任意の２つの経路を選択的に連通可能である。また，温度検知器Ｔｈで検出された温度検出値は，図示しない制御系に伝達される。制御系は，温度検出器Ｔｈによる温度検出値に応じて，冷媒ＣＷの温調を行うための冷凍回路１１０の駆動制御を行う。このように，目標温調温度に追従するようにフィードバックをかけながら冷媒の熱量あるいは流量制御を行うことができるので，ウェハＷの温度管理をより厳密に行うことができる。
また，冷媒循環路１０８からポンプ１４８へ至る経路（以下，冷媒排出路と称する。）１３６には，冷媒排出路１３６における冷媒ＣＷの排出を許可する開閉弁１３８が配されている。なお，冷媒排出路１３６にも温度検出器を配し，この温度検出器による温度検出値に応じて，冷凍回路１１０の駆動制御を行ってもよい。
かかる構成の冷凍回路１１０では，冷媒循環路１０８において，冷媒ＣＷによりウェハＷを温調する。すなわち，熱交換器１４２内で冷却された所定流量の冷媒ＣＷを冷媒供給路１３２を通じて冷媒循環路１０８内で循環させることにより，冷媒ＣＷが蒸発し，これによる気化熱としてウェハＷの熱が冷媒ＣＷに吸収されて，ウェハＷが所定温度に温調される。ウェハＷの温度は，ポンプ１４８の揚水量を調整すれば適宜変更可能であり，冷媒ＣＷの流量を増やせばウェハＷの温度が下がり，逆に冷媒ＣＷの流量を減らせばウェハＷの温度が上がる。
以上説明したように，本実施の形態によれば，冷媒を貯蔵しておく冷媒タンクや，冷媒を処理装置に送出するためのポンプ，冷媒を温調するためのヒータ，あるいは，一次冷媒と二次冷媒との間で熱交換を行うための熱交換器などの構成部品を備える必要がない。このため，コストの削減，装置の小型化による設置面積の縮小，さらには，省エネルギ化を図ることが可能である。
また，冷凍回路１１０の冷媒ＣＷとしてＣＯ_２を使用することにより，地球温暖化係数（ＧＷＰ）をＰＦＣの１／８０００〜１／７０００程度にすることができる。また，下部電極１０６は定期的にメンテナンス（あるいは交換）を行う必要があるが，メンテナンス時においても，リークの影響を少なくすることができる。なお，下部電極１０６のメンテナンスについては，さらに後述する。
さらに，蒸発器１０８を，下部電極１０６内に伝熱性壁体により構成される冷媒流路として構成し，冷媒流路を，下部電極内に螺旋状に配したので，ウェハＷの温度の均一化を図り，ウェハＷの温度制御を容易に行うことができる。また，蒸発器を冷媒ＣＷの乱流が形成される形状としたので，ウェハＷの熱吸収を効率的に行うことができ，ウェハＷの温度制御を容易に行うことができる。
さらに，冷凍回路の膨張弁１５０から蒸発器１０８に至る冷媒供給路１３２には真空ポンプ１３５に連通する三方弁１３４が配されており，冷凍回路の蒸発器１０８から圧縮機１４８に至る冷媒排出路１３６には開閉弁１３８が配されているので，冷媒ＣＷを真空ポンプ１３５に連通し回収することにより，下部電極１０６のメンテナンスを容易に行うことができる。
次いで，上述のプラズマエッチング装置１００のメンテナンス方法および駆動方法について，図４，図５を参照しながら説明する。
（２）処理装置のメンテナンス方法
プラズマエッチング装置１００に必要なメンテナンスの一つとして，下部電極１０６のメンテナンスあるいは交換作業がある。かかる作業の作業の流れを，図４を参照しながら説明する。
下部電極１０６の取り外し時には，開閉弁１３８を閉止するとともに三方弁１３４を，冷媒供給路１３２と熱交換路１４４（膨張弁側経路）とが連通するように開放する（ステップＳ１）。次いで，圧縮機１４８を駆動して，冷媒ＣＷを真空ポンプ１３５に回収する（ステップＳ２）。冷媒ＣＷの回収後に，三方弁１３４を閉止して，下部電極１０６を取り外す（ステップＳ３）。
本実施の形態では，冷媒ＣＷとしてＣＯ_２を使用しているため，ステップＳ２における冷媒ＣＷの回収工程を省略し，ＣＯ_２を大気中に放出することも可能である。しかしながら，冷媒供給路１３２，冷媒循環路１０８，冷媒排出路１３６内に残留しているＣＯ_２は多量（１０ｄｍ^３程度）であるため，回収して再度利用することが好ましい。
（３）処理装置の運転方法
下部電極１０６のメンテナンスを行った後，あるいは，初期動作時におけるプラズマエッチング装置１００の運転方法を，図５を参照しながら説明する。
まず，メンテナンスを行った（あるいは交換した）下部電極１０６を取り付ける（ステップＳ４）。三方弁１３４を開放して，冷媒供給路１３２，冷媒循環路１０８，冷媒排出路１３６内を真空引きする（ステップＳ５）。リークがないことが確認（ステップＳ６）できた後，開閉弁１３８を開放するとともに三方弁１３４を冷媒供給路１３２と熱交換路１４４（膨張弁側経路）とが連通するように開放する（ステップＳ７）。その後圧縮機１４８を駆動する（ステップＳ８）。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる処理装置，および，処理装置のメンテナンス方法の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば，上記実施の形態において，冷媒供給路１３２に温度センサＴｈを備え，冷凍回路１１０の膨張弁１５０から蒸発器１０８に至る経路を循環する冷媒ＣＷの温度を基準に温度制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。例えば，冷媒排出路１３６に温度センサＴｈを備え，冷凍回路１１０の蒸発器１０８から圧縮機１４８に至る経路を循環する冷媒ＣＷの温度を基準に温度制御を行うようにしてもよい。
また，上記実施の形態において，被処理体（ウェハＷ）の温度を基準にして冷媒の温度制御を行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。例えば，電極（下部電極１０６）の温度を基準にして冷媒の温度制御を行うようにしてもよい。
以上説明したように，本発明によれば，処理装置の電極用温調装置の小型化を図り，設置面積の縮小を図るとともに，省エネルギ化を図ることが可能である。また，冷凍回路の冷媒にＣＯ_２を用いることで，地球温暖化の防止を図ることが可能である。

産業上の利用の可能性

本発明は，半導体装置やＬＣＤ基板などの製造工程に使用される，プラズマエッチング装置などの処理装置，および，処理装置のメンテナンス方法に利用可能である。

符号の説明

１００ プラズマエッチング装置
１０２ 処理容器
１０４ 処理室
１０６ 下部電極
１０７ 冷却ガス通路
１０８ 冷媒循環路（蒸発器）
１１０ 冷凍回路
１１２ 上部電極
１１４ 高周波電源
１１６ 整合器
１１８ 処理ガス供給源
１２４ 冷媒タンク
１２６ ヒータ
１３０ ポンプ
１３２ 冷媒供給管
１３４ 三方弁
１３５ 真空ポンプ
１３６ 冷媒排出路
１３８ 開閉弁
１４２ 熱交換器（凝縮器）
１４４ 熱交換路（膨張弁側経路）
１４６ 冷媒回収路
１４８ ポンプ（圧縮機）
１５０ 開閉バルブ（膨張弁）
１５２ インバータ
Ｔｈ 温度センサ
ＣＷ 冷媒（ＣＯ_２）
ＣＧ 冷却ガス
Ｗ ウェハ

Claims (4)

1. 処理室内に被処理体を載置可能な電極と，
   圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とから成り，ＣＯ_２を冷媒として前記電極を冷却する冷凍回路と，を備え，
   前記蒸発器は前記電極内に配された螺旋状の伝熱性壁体により構成される冷媒流路であるとともに，
   前記冷凍回路の膨張弁から蒸発器に至る経路には，
   膨張弁側経路，冷媒回収経路，蒸発器側経路のうち任意の２つの経路を選択的に連通可能な三方弁が配されており，
   前記冷凍回路の蒸発器から圧縮機に至る経路には開閉弁が配されていることを特徴とする，処理装置。
2. 前記冷媒流路は，下流に向かうにつれ流路が狭くなることを特徴とする，請求項１に記載の処理装置。
3. 処理装置のメンテナンス方法であって，
   前記処理装置は，
   処理室内に被処理体を載置可能な電極と，
   圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とから成り，ＣＯ_２を冷媒として前記電極を冷却する冷凍回路と，を備え，
   前記蒸発器は前記電極内に配された螺旋状の伝熱性壁体により構成される冷媒流路であるとともに，
   前記冷凍回路の膨張弁から蒸発器に至る経路には，
   膨張弁側経路，冷媒回収経路，蒸発器側経路のうち任意の２つの経路を選択的に連通可能な三方弁が配されており，
   前記冷凍回路の蒸発器から圧縮機に至る経路には開閉弁が配されているものであり；
   前記電極の取り外し時には，
   前記三方弁を前記膨張弁側経路と前記冷媒回収経路とが連通するように開放し，
   前記圧縮機を駆動して，前記冷媒を前記冷媒回収経路に回収し，
   冷媒回収後に前記開閉弁を閉止するとともに前記三方弁を閉止し，
   前記圧縮機を停止して，
   前記電極を取り外すことを特徴とする，処理装置のメンテナンス方法。
4. 前記冷凍回路の運転再開時には，
   取り外した前記電極を接続後，
   前記三方弁を前記冷媒回収経路と前記蒸発器側経路とが連通するように開放し，
   前記冷媒回収経路を介して前記三方弁から前記開閉弁に至る経路内を排気し，
   その後，前記三方弁を前記膨張弁側経路と前記蒸発器側経路とが連通するように開放し，
   前記開閉弁を開放し，
   前記圧縮機を駆動することを特徴とする，請求項３に記載の処理装置のメンテナンス方法。

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