KR101020357B1 - 피처리 기판의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법, 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

피처리 기판의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법, 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

탑재대에 탑재된 피처리 기판을 복수의 영역으로 나누고, 각 영역에서의 탑재대와 기판간의 열의 수수량을 바꾸어, 영역마다 기판의 온도를 조절하는 수단을 제공한다.
피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 온도 계통별의 온도 조절부를 복수 구비한 탑재대와, 이 온도 조절부를 지나 온도 계통별로 유체가 순환해서 흐르는 순환 유로와, 순환 유체보다 높은 온도의 가열 유체가 흐르는 가열 유로와, 순환 유체보다 낮은 온도의 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로를 마련하고, 탑재대의 근방에서 순환 유로와 가열 유로와 냉각 유로의 유체를 온도 계통별로 합류시키는 동시에, 상기 온도 조절부에 출력하는 유체의 각 유로로부터의 유량비를 조절하는 유량 조절 수단을 포함하는 합류부를 구비한 피처리 기판의 온도 조절 장치.

Description

피처리 기판의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법, 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치{TEMPERATURE CONTROL DEVICE FOR TARGET SUBSTRATE, TEMPERATURE CONTROL METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS INCLUDING SAME}
본 발명은, 반도체 웨이퍼인 기판의 온도를 조절하는 장치 등에 관한 것으로, 특히 피처리 기판을 탑재하는 탑재대의 온도 조절부를 복수의 영역으로 나누어, 각각 독립으로 온도 조절 가능한 피처리 기판의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법, 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다．
피처리 기판에 플라즈마 에칭 등의 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 기판의 온도를 몇 단계의 스텝 형상으로 바꾸어서 처리를 실행하는 일이 적지 않다. 도 6은, 동일한 처리실에서 에칭 조건(가스의 종류, 온도, 압력 등)을 바꾸면서 처리를 실행하는 스텝 온도 조절의 차트도이다. 이와 같은 스텝 온도 조절을 실행하기 위해서는, 고속으로 온도 조절을 실행할 필요가 있다. 예컨대, 각 스텝에 이행하는 시간은 길어도 30초정도인 것이 요구된다. 이러한 온도 조절에는, 전 스텝보다 기판 온도를 높게 하는 경우와 낮게 하는 경우가 있지만, 어느 쪽 이든 간에 기판 온도의 승강에 요하는 시간을 단축하는 것이 요망된다.
이러한 온도 승강의 수단으로서는, 기판을 탑재하는 서셉터를 열교환용 플레이트로서 이용하여, 이 서셉터를 가열· 냉각하는 것에 의해, 기판의 온도 변경을 실행하고 있었다. 서셉터의 냉각은, 그 내부에 냉매를 유통시키는 것에 의해 실행되고, 서셉터의 가열은, 기판의 바로 아래에 열전 소자 모듈 등의 가열 히터를 배치하는 것에 의해 실행되고 있었다. 즉, 종래에는 서셉터의 가열과 냉각을 각각 별도의 수단으로 실행하는 일이 많았다.
그러나, 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 플라즈마 발생용에 고주파 전력이 인가되기 때문에, 상술한 열전 소자 모듈(가열 히터)의 배선 라인으로부터의 RF(Radio Frequency)의 누설을 막을 필요가 있다. 이를 위해서는, 가열 히터의 배선 계통에 RF 필터를 마련할 필요가 있지만, 설비가 복잡하고, 비싸지므로 바람직하지 못하다. 또한, RF 필터를 부가해도 RF 노이즈, RF 파워 로스를 완전히는 억제할 수 없다. 또한, RF 주파수, RF 파워에 의해 필터를 변경할 필요가 있다. 또한, 가열 히터의 열원으로서 세라믹이 이용되는 것이 일반적이지만, 세라믹은 급속한 열수축에 의해 파손할 우려가 있기 때문에, 가열 히터에 의한 급속한 온도 승강에는 한계가 있다.
그래서, 하기 특허문헌에는, 상기의 서셉터(열교환용 플레이트)의 냉각과 가열을, 함께 전열매체(예컨대 냉수와 열수)의 열교환에 의해 실행하는 기술이 개시되어 있다(특허문헌1, 2). 즉, 전열매체의 냉각측 순환 회로와 가열측 순환 회로를 마련하여, 이 양쪽 회로로부터 서셉터에 공급하는 전열매체의 양 또는 혼합비를 조절함으로써，가열 히터를 마련하는 일없이, 서셉터의 온도를 임의로 변경할 수 있게 하는 것이다.
(특허문헌1) 일본 특허공개 2001-134324호 공보
(특허문헌2) 일본 특허공개 평성7-271452호 공보
(특허문헌3) 일본 특허공개 2006-156938호 공보
상술 한 바와 같은 서셉터에 전열매체를 흘려 가열· 냉각을 실행하는 방법으로는, 서셉터 전체가 단일의 온도가 되므로, 기판의 부위에 따라기판과 서셉터간의 열전도량을 바꿀 수는 없다.
한편, 최근 반도체 기판(웨이퍼)의 대구경화에 따라，웨이퍼의 부위에 의해 입열과 출열의 밸런스에 편차가 발생하여, 대형의 웨이퍼 전면을 균일한 온도로 유지하는 것이 어렵게 되어 있다.
예컨대, 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 플라즈마의 밀도 분포나 서셉터 내를 유통하는 냉매온도의 분포 등에 편차가 발생하는 일이 많다. 특히, 플라즈마의 밀도분포를 웨이퍼 전체에서 균일하게 하는 것이 어려워, 웨이퍼의 주변과 중앙에서, 입열과 출열의 밸런스에 차가 발생하는 일이 적지 않다.
일반적으로는, 웨이퍼의 중앙부가 냉각되기 쉽도록, 웨이퍼 주변의 냉각이 약해진다. 따라서, 웨이퍼 전체를 균일한 온도로 제어하기 위해서는, 웨이퍼의 중앙과 주변에서 냉각의 정도를 바꿀 필요가 있다.
이러한 웨이퍼의 부위에 따라 냉각의 정도를 바꾼다고 하는 요청에 응한 수단으로서, 탑재대를 존(zone) 별로 나누어, 기판과 탑재대의 간격에 흘리는 냉각 가스의 양을 존 마다 바꾼다고 하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌3).
그러나, 이 방법으로는 기판을 가열할 수 없고 또한, 존의 경계에서 기판의 온도 특성에 특이점이 발생한다고 하는 문제가 있어서 바람직하지 못하다. 이 때 문에, 웨이퍼의 부위에 의해, 냉각 또는 가열의 정도를 바꿀수 있는 서셉터가 있으면 좋다.
그래서, 본 발명은, 피처리 기판을 탑재하는 탑재대의 온도 조절부에 유체를 순환시킴으로써 피처리 기판을 가열 또는 냉각하는 온도 조절 장치에 있어서, 피처리 기판을 복수개의 영역으로 나누어, 영역마다 기판온도를 제어할 수 있는 피처리 기판의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법, 또 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 실시예의 피처리 기판의 온도 조절 장치는, 피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 온도 계통별의 온도 조절부를 복수 구비한 탑재대와, 상기 온도 조절부를 지나 온도 계통별로 유체가 순환하여 흐르는 순환 유로와, 상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 높은 온도의 가열 유체가 흐르는 가열 유로와, 상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 낮은 온도의 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로와, 상기 탑재대의 근방에서, 상기 순환 유로와 상기 가열 유로와 상기 냉각 유로를 온도 계통별로 합류시킴과 동시에, 상기 온도 조절부에 출력하는 유체의 각 유로로부터의 유량비를 조절하는 유량 조절 수단을 포함하는 합류부를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
상기의 구성에 의하면，온도 조절부에 영역별로 온도가 다른 유체를 흘리는 것에 의해, 영역별로 기판으로의 열전도량 또는 이제까지의 발열량을 임의로 조절 할 수 있다. 예컨대, 기판의 부위에 따라 입출열의 밸런스에 편차가 있어, 기판온도가 불균일해지는 경우에는, 기판온도가 높은 영역의 냉각을 강화하고, 혹은 온도가 낮은 영역의 냉각을 약하게 함으로써 기판온도를 균일하게 할 수 있다.
이 온도 조절 장치는, 상기 온도 조절부보다도 하류측의 유체를 흡인하여 상기 순환 유로, 상기 가열 유로, 및 상기 냉각 유로에 토출하는 펌프를 온도 계통별로 구비한 것이더라도 좋다.
또한, 이 온도 조절 장치의 상기 유량 조절 수단이, 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 검출하는 온도 검출 수단에 의한 검출값을 상기 소정의 온도의 값이 되도록 피드백 제어하는 것인 것이 바람직하다. 이에 따라, 온도 제어에 요하는 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예의 피처리 기판의 온도 조절 장치는, 피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 온도 계통별의 온도 조절부를 복수 구비한 탑재대와, 상기 온도 조절부를 지나 온도 계통별로 유체가 순환하며 흐르는 순환 유로와, 상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 높은 온도의 가열 유체가 흐르는 가열 유로와, 상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 낮은 온도의 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로와, 상기 탑재대의 근방에서, 상기 순환 유로와 상기 가열 유로와 상기 냉각 유로를 온도 계통별로 합류시킴과 동시에, 상기 온도 조절부에 출력하는 유체의 각 유로로부터의 유량비를 조절하는 유량 조절 수단을 포함하는 제 1 합류부와, 상기 온도 조절부보다도 하류측에 있어서, 상기 온도 계통별의 순환 유로를 합류시키는 제 2 합류부와, 상기 제 2 합류부로부터의 유체를 흡인하고, 상기 순환 유로, 상기 가열 유로, 및 상기 냉각 유로에 토출하는 펌프를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
이와 같이 구성함으로써，펌프수를 줄이는 동시에, 순환 유로의 배관 구성을 간략화 할 수 있다.
이 제 ２ 실시예의 온도 조절 장치에 있어서는, 상기 합류부는 상기 펌프와 일체적으로 구성되어 있는 것이더라도 좋다. 또한, 상기 유량 조절 수단이, 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 검출하는 온도 검출 수단에 의한 검출값을 상기 소정의 온도의 값으로 피드백 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 피처리 기판의 온도 조절 방법은, 탑재대에 탑재된 피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 피처리 기판의 온도 조절 방법으로서, 상기 피처리 기판을 영역별로 온도 조절하는 복수의 온도 조절부를 온도 계통별로 상기 탑재대 내부에 마련하여, 온도 계통별로 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 목표 온도와 상기 유체의 온도를 비교하여 그 온도차를 산출하고, 상기 유체의 온도보다 높은 온도의 가열 유체, 및 / 또는 상기 유체의 온도보다 낮은 온도의 냉각 유체를, 상기 유체가 상기 온도 조절부에 유입하기 바로 전에 상기 유체에 온도 계통별로 합류시킴과 동시에, 상기 유체와 상기 가열 유체, 및 / 또는 상기 냉각 유체의 유량비를 조절하고, 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 온도 계통별로 조절하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기의 온도 조절 방법은, 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 온도 계통별로 검출하고, 상기 유체의 온도가 목표 온도가 되도록 피드백 제어에 의해 상기 유량비를 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기 제 １ 실시예 및 제 ２ 실시예의의 온도 조절 장치를 구비한 플라즈마 처리 장치를 포함한다.
본 발명에 의해, 피처리 기판을 탑재하는 탑재대의 온도 조절부에 유체를 순환시킴으로써 피처리 기판을 가열 또는 냉각할 때에, 피처리 기판을 복수개 영역으로 나누어, 영역마다 기판 온도를 제어하는 것이 가능하게 되었다. 또한, 본 발명에 의하면, 순환 유체와 가열 유체 및 / 또는 냉각 유체와의 유량비를 조절하는 것만으로, 간편히 기판 온도의 제어를 실행할 수 있다. 또한, 유체온도를 스텝 형상으로 급격히 변화시킬 수 있으므로, 기판의 온도 조절에 요하는 시간을 단축 할 수 있다.
이하, 실시예의 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도 1에, 본 발명의 실시에 이용되는 플라즈마 처리 장치(플라즈마 에칭 장치)의 전체의 개략 구성을 나타낸다. 도 1에 있어서, 챔버(1)는, 예를 들면 알루미늄, 스테인리스강 등의 재질로 이루어지고, 내부를 기밀히 밀폐 가능한 원통형이다. 이 챔버(1)는 어스에 접지되어 있다.
챔버(1)의 내부에는, 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)가 탑재 되는 탑재대(이하, 서셉터)가 마련된다. 도 1에 나타내는 서셉터(2)는, 반도체 웨이퍼(W)와 접촉하여 열교환을 실행함으로써， 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 조절하는 열교환 플레이트로서 이용된다. 서셉터(2)는, 알루미늄 등의 도전성 및 열전도성에 풍부한 재질로 이루어지고, 하부 전극을 겸하고 있다.
서셉터(2)는, 세라믹 등의 절연성의 통형상 유지부(3)에 지지된다. 통형상 유지부(3)는 챔버(1)의 통형상 지지부(4)에 지지된다. 통형상 유지부(3)의 상면에는, 서셉터(2)의 상면을 링 형상으로 둘러싸는 석영 등으로 이루어지는 포커스링(5)이 배치된다.
챔버(1)의 측벽과 통형상 지지부(4)의 사이에는, 링 형상의 배기로(6)가 형성되어 있다. 이 배기로(6)의 입구 또는 도중에 링 형상의 배플판(7)이 부착된다. 배기로(6)의 바닥부는 배기관(8)을 거쳐서 배기 장치(9)에 접속된다. 배기 장치(9)는, 진공 펌프를 가지고 있어, 챔버(1)내의 공간을 소정의 진공도까지 감압한다. 챔버(1)의 측벽에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구(10)를 개폐하는 게이트밸브(11)가 부착된다.
서셉터(2)에는, 플라즈마 생성용의 고주파 전원(12)이, 정합기(13) 및 급전 막대(14)를 거쳐서 전기적으로 접속된다. 고주파 전원(12)은, 예컨대 40MHz의 높은 주파수의 고주파 전력을 서셉터(2)가 겸하는 하부 전극에 공급한다. 챔버(1)의 천장부에는, 샤워헤드(15)가 상부 전극으로서 마련된다. 고주파 전원(12)으로부터의 고주파 전력에 의해, 서셉터(2)와 샤워헤드(15)의 사이에 플라즈마가 생성된다.
또한 서셉터(2)에는, 플라즈마중의 이온을 반도체 웨이퍼(W)에 인입하는 바이 어스용의 고주파 전원(31)이, 정합기(32) 및 급전 막대(33)를 거쳐서 접속된다. 고주파 전원(31)은, 예컨대 12.88MHz, 3.2MHz 등의 약간 낮은 주파수의 고주파 전력을 서셉터(2)에 공급한다.
서셉터(2)의 상면에는, 반도체 웨이퍼를 정전흡착력으로 유지하기 위해서, 세라믹 등의 유전체로 이루어지는 정전척(16)이 마련된다. 정전척(16)의 내부에는, 도전체 예컨대 동, 텅스텐 등의 도전막으로 이루어지는 내부 전극(17)이 매설되어 있다. 내부 전극(17)에는 고전압, 예컨대 2500V, 3000V 등의 직류 전원(도시 하지 않음)이 스위치를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원으로부터 내부 전극(17)에 직류 전압을 인가하면, 쿨롱힘 또는 죤슨·라벡력에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 정전척(16)에 흡착 유지된다.
서셉터(2)의 내부에는, 전열매체(유체) 유로 (온도조절부)(18)가 마련된다. 이 전열매체 유로(18)에는, 온도 조절 유닛(19)으로부터 배관(20)을 거쳐서, 소정 온도의 전열매체, 예컨대 열수 또는 냉수가 순환 공급된다. 온도 조절 유닛(19)으로부터 서셉터(2)에 공급되는 전열매체의 온도는, 온도 제어 장치(21)에 의해, 소정의 온도가 되도록 제어된다.
정전척(16)과 반도체 웨이퍼(W)의 이면의 사이에는, 열전도 가스 공급부(22)로부터의 열전도 가스, 예컨대 He 가스가 가스 공급관(23)을 거쳐서 공급되고, 이 열전도 가스는, 정전척(16), 즉 서셉터(2)와 반도체 웨이퍼(W) 사이의 열전도를 촉진시킨다.
천장부의 샤워헤드(15)는, 다수의 가스 통기 구멍을 가지는 하면의 전극판(24)과, 이 전극판(24)을 장착 및 분리 가능하게 지지하는 전극지지체(25)를 가진다. 전극지지체(25)의 내부에는 버퍼실(26)이 마련되고, 이 버퍼실(26)의 가스 도입구(27)에는, 처리 가스 공급부(28)로부터의 가스 도입관(29)이 접속된다.
샤워헤드(15)와 서셉터(2)는 평행히 대향하여 설치되고, 한 쌍의 전극 즉 상부 전극과 하부 전극으로서 기능한다. 샤워헤드(15)와 반도체 웨이퍼(W)가 탑재된 서셉터(2)의 사이의 공간에는, 고주파 전력에 의해 연직 방향의 고주파 전기장이 형성되고, 고주파의 방전에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 근방에 고밀도의 플라즈마가 생성된다. 또한, 챔버(1)의 주위에는, 챔버(1)와 동심원 형상으로 링 형상의 링 자석(30)이 배치되어, 샤워헤드(15)와 서셉터(2)의 사이의 처리공간에 자장을 형성한다.
도2는, 열교환 플레이트(서셉터2)의 구조의 예를 도시하는 도면이다. 이 서셉터(2)는, 내부가 공동(空洞, cavity)의 원판형인 것으로, 열전도성이 좋은 재료, 예컨대 알루미늄 등의 금속으로 형성되어 있다. 내부의 공동은 유체(이하, 전열매체)의 유로가 되는 것으로, 도2의 예에서는, 서셉터(2)와 동심원형상의 칸막이 벽(35)에 의해 2분할되어, 링 형상의 외측 유로(36)와 원판형상의 내측 유로(37)로 나누어져 있다 .
이 양쪽 유로에는 각각 별계통의 전열매체가 유통한다. 즉, 외측 유로(36)용의 전열매체는, 유입구(38a)로부터 유입하고 유출구(39a)로부터 유출되어, 도 1에 나타내는 온도 조절 유닛에서 온도 조절되어 순환한다. 동일하게 내측 유 로(37)용의 전열매체는, 유입구(38b)로부터 유입하고 유출구(39b)로부터 유출되어, 온도 조절 유닛에서 온도 조절되어 순환한다.
이와 같이 서셉터(2)의 내부를 복수의 영역으로 분할하고, 각각의 영역에 독립으로 온도 제어된 전열매체를 유통시키는 점에 본 발명의 특징이 있다. 이에 의해, 영역마다 전열매체의 온도를 바꿀 수 있고, 서셉터(2)와 반도체 웨이퍼(W)의 사이의 열의 수수량을, 영역마다 다르게 할 수 있다.
도 2의 예에서는, 내측 유로(37)와 외측 유로(36)의 전열매체 온도를 바꾸는 것에 의해, 예컨대 반도체 웨이퍼(W)의 주변부와 중앙부의 냉각의 정도를 바꿀 수 있다. 통상적으로는, 반도체 웨이퍼(W)의 주변부가 중앙부보다 온도가 높아지기 쉬우므로, 외측 유로(36)의 전열매체 온도를 내측 유로(37)의 전열매체 온도보다 낮게함으로써, 처리중의 반도체 웨이퍼(W) 전체의 온도를 균일하게 유지할 수 있다.
본 실시예에서는, 외측 유로(36)와, 내측 유로(37)는 내부에 장해물이 없는 유로이지만, 이것이 꼬불꼬불 구부러진 사관형상의 유로이더라도 좋고, 충돌판 등의 장해물로 굴곡시킨 유로이여도 좋다. 이러한 유로로 함으로써, 침전물의 발생을 방지하여 각 영역 전체의 온도를 조속히 균일하게 할 수 있다. 또한, 각 유로의 유입구나 유출구의 수가 각각 2개 이상이여도 좋다.
또한, 본 발명에 있어서, 서셉터(2)의 분할 방법을 도 2의 예와 같은 동심원 형상에 한정할 필요는 없다. 분할수도 2분할에 한정되지 않고, 3분할 이상이여도 좋다. 또, 3분할 이상인 경우는, 온도 조절 유닛의 순환 계통의 수를 영역 분할수 와 동일하게 하는 것이 바람직하고, 또한, 각각의 플라즈마 처리 장치의 특성이나, 온도 조절의 목적에 따라서，적절히 영역을 분할하면 좋다.
도 3은, 온도 조절 유닛에 있어서의 전열매체의 순환 유로가 2 계통의 경우를 나타낸 구성도이다. 도 3(a)은, 2 계통의 전열매체가 따로따로 순환하는 분할순환형의 구성을 나타낸 구성도이며, 도 3(b)은, 2 계통의 전열매체가 합류해서 순환하는 집합 순환형의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3(a)에 있어서는, 2대의 펌프(40a, 40b)가 배치되어, 외측 유출구(39a)로부터 유출된 전열매체는 펌프(40a)로 승압되어, 분기점(Pa)에서 3방향으로 분류되어, 바이패스 유로(41a), 가열부(42) 및 냉각부(43)에 유입된다. 한편，내측 유출구(39b)로부터 유출된 전열매체는 펌프(40b)로 승압되어, 분기점(Pb)에서, 바이패스 유로(41b), 가열부(42) 및 냉각부(43)로 분류된다.
가열부(42)는, 고온의 전열매체의 저장 탱크에서, 내부에 내장된 히터에 의해, 전열매체를 소정온도(고온측) 범위로 유지할 수 있다. 냉각부(43)는, 저온의 전열매체의 저장(수용）탱크에서, 내부에 내장된 에어컨에 의해, 전열매체의 온도를 소정온도(저온측) 범위로 유지할 수 있다. 가열부(42) 및 냉각부(43)로부터는, 각각 2계통의 유출로가 마련되어, 바이패스 유로(41a 및 41b)에 합류한다. 합류점(Qa)에서 합류한 전열매체는, 유입구(38a)로부터 도 2에 나타내는 외측 유로(36)에 유입하고, 합류점(Qb)에서 합류한 전열매체는, 유입구(38b)로부터 도 2에 나타내는 내측 유로(37)에 유입한다. 각 합류점에 유입하는 바이패스 유로(41a 또는 41b), 가열부(42) 및 냉각부(43)의 전열매체의 유량은, 각각 마련된 3개의 유량 조 절 밸브(44)에 의해 조절된다. 따라서, 이 유량의 비율을 바꾸는 것에 의해, 외측 유입구(38a)와 내측 유입구(38b)에 유입하는 전열매체 온도를 독립으로 제어 할 수 있다.
도 3(b)에 있어서는, 1대의 펌프(40)가 배치되어, 외측 유출구(39a)로부터와 내측 유출구(39b)로부터 유출된 전열매체는 O점에서 합류하고, 펌프(40)로 승압되어 순환한다. 펌프(40)로 승압된 전열매체는, 분기점(P1)에서 2분할되어, 바이패스 유로(41a와 41b)로 분류되다. 또한 각 바이패스 유로에는 분기점(P2)이 마련되고, 바이패스 유로(41a 또는 41b)를 그대로 직진하는 부분과, 가열부(42) 및 냉각부(43)에 유입하는 부분으로 3분할된다. 도 3(b)의 경우도, 가열부(42) 및 냉각부(43)의 구성은, 도 3(a)과 같다. 또한, 합류점(Qa, Qb)에 유입하는 각 3계통의 전열매체의 유량을 각 3개의 유량 조절 밸브(44)로 조절하여, 외측 유입구(38a)와 내측 유입구(38b)에 유입하는 전열매체 온도를 독립으로 제어하는 것도, 도 3(a)과 같다.
도 3(b)과 같은 집합 순환형의 구성으로 하는 것에 의해, 펌프 설비비나 동력비용의 저감, 출구측 전열매체의 온도측점수를 감소할 수 있는 등의 장점을 얻을 수 있다 .
도 4는, 전열매체의 온도 제어 시스템의 구성 예를 도시하는 도면이지만, 그 동작 설명을 간략화하기 위해서, 순환 유로가 1계통인 경우에 대해서 도시하고 있다. 따라서, 각 계통에 대해서, 도 4와 같은 시스템이 마련되게 된다. 단지, 가열부(42) 및 냉각부(43)와 그 주변기기를 2계통으로 해도 좋고, 1세트로 하여 그것 을 공유하도록 해도 좋다.
전열매체의 온도 제어를 실행하기 위해서 필요한 정보는, 순환하는 전열매체의 온도, 즉 유출구(39)의, 온도센서 (TSO) 로 검출된 출구온도 (TO) 및 유입구(38)의, 온도센서 (TSi) 로 검출된 입구 온도(Ti)와, 가열부(42) 및 냉각부(43)의 출구 온도(TH 및 TC)이다(출구온도 (TH 및 TC)는 각각 온도센서 (TSH 및 TSC )로 검출 된다). 제어의 대상이 되는 것은, 일반적으로는 유입구(38)의 입구 온도(Ti)이다. Ti를 제어하기 위해서는, 바이패스 유량(QB), 가열부측 유량(QH) 및 냉각부측 유량(QC)을 조절하여, 이 삼자가 소정의 비율이 되도록 하면 좋다. 또한, Ti>TO의 경우는 QC=0으로 하고, Ti<TO의 경우는 QH=0으로 할 수도 있다.
즉, 제어 장치(45)에 TO, Ti, TH 및 TC의 정보를 입력하고, 목표 입구온도(Ti*)가 되는 QB, QH 및 Qc (또는 QB와 QH 또는 Qc)의 값을 산정하고, 유량 제어밸브(VB, VH 및 VC)의 개방도를 조절하면 좋다.
또한, 가열부(42) 및 냉각부(43)의 출구 온도(TH 및 Tc)를 소정의 값으로 제어하기 위해서는, TH 및 Tc의 정보를 얻어서 이것이 목표값에 일치하도록 가열 전력 제어 장치(46) 또는 냉매유량 제어 장치(47)에 의해 제어를 실행하면 좋다.
도 5는, 본 발명에 있어서의 온도 조절법의 순서의 예를 나타내는 플로도다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 우선 플라즈마 처리 등의 기판 가열 조건과, 이에 대응한 기판 목표 온도로, 서셉터(2)에 유입하는 전열매체의 목표 입구 온도(Ti*)를 설정한다. 이 설정은, 각각의 가열 조건에 있어서의 기판 온도와 입구 온도(Ti)의 관계의 데이터가 축적되어 있으므로, 이 데이터에 근거하여 경험적으로 정할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 서셉터(2)가 분할된 영역마다 목표 입구 온도(Ti*)를 바꾸어서 설정한다. 도 5에 나타내는 온도 조절법의 순서에서는, 각 영역의 입구 온도(Ti)가 목표 온도(Ti*)에 합치하도록 제어할 경우에, 다른 영역의 입구 온도와 관계없이, 각각 독립으로 제어 할 수 있다. 그래서, 도 5는 1계통에 있어서의 제어 순서를 나타내고 있지만, 2계통 이상의 경우는, 각각의 계통에 대해서, 이와 같은 순서로 제어하면 좋다.
우선, 상술 한 바와 같이 목표 입구 온도(Ti*)를 설정한다(S-1). 제어는 시계열적으로 실행하므로, 시간(t)을 ti(i=1, 2, ···)로 하고、 ti에 있어서의 입구 온도(Ti)를 측정한다(S-2). Ti>Ti*이라면, 가열측 유량을 바꾸는 일없이, 냉각측 유량(QC)을 증량하고, 그 만큼 바이패스 유량(QB)을 감하면 된다. 냉각측 유량의 증량분(ΔQC)은, 아래와 같이 계산된다.
전열매체의 비열을 C로 하여, 냉각측 유량의 증량에 의한 입구 전열매체의 엔탈피의 변화분(ΔHi)은, 냉각측 전열매체의 현<>열변화(ΔHc)와 바이패스 전열매 체의 현열변화(ΔHB)의 합계이다.
즉, ΔHi=ΔHC+ΔHB=C(ΔQC·TC-ΔQC·TB)
=C·ΔQC(TC-TB)
이것이 전입구 유량QT(=QB+QH+QC)을(Ti*-Ti)만큼 변화시키는 엔탈피C·QT(Ti*-Ti)이면 좋다. 따라서,
C·ΔQC(TC-TB)=C·QT(Ti*-Ti)
ΔQC=QT(Ti*-Ti)/(TC-TB) ············(1)
로서, (1)식에 의해 ΔQC가 인가된다.
그래서, 냉각측 온도(TC)와 출구 온도(TO)(바이패스 온도(TB)는 거의 TO와 일치한다)를 측정하고(S-3), (1)식에 의해 냉각측 유량변화분(ΔQc)을 계산하여(S-4), 그 결과에 근거하여, 유량 제어밸브에 의해 냉각측 유량(Qc)과 바이패스 유량(QB)의 조절을 실행하면 좋다(S-5).
한편, Ti<Ti*이면, 냉각측 유량을 바꾸는 일없이, 가열측 유량(QH)을 증량하고, 그 만큼 바이패스 유량(QB)을 줄이면 좋다. 상기와 같이 가열측 유량의 증량분(ΔQH)은, 하기 (2)식에서 계산된다.
ΔQC=QT(Ti*-Ti)/(TH-TB) ············(2)
이 경우도, (S-1)로부터 (S-5)의 순서는 동일하다.
다음으로, i=i+1로 하여, 다음 시간에 있어서의 제어를 실행하여, Ti=Ti*이 된 시점에서 종료한다. 복수 계통의 경우는, 각각의 계통에 대해 이 조작을 실행한다.
상기의 조작순서에 따르면, 필요한 엔탈피의 변화분만큼, 가열측 또는 냉각측 유량을 증감하면 좋고, 제어의 조작이 간명해지는 동시에, 가열부에 투입 또는 냉각부에서 제거하는 에너지를 적게 할 수 있어, 에너지 경제성의 관점에서도 유리하다.
도 1은 본 발명의 1실시예인 플라즈마 처리 장치의 개략구성을 도시한 도면.
도 2는 열교환 플레이트의 구조의 예를 도시하는 도면.
도 3은 온도 조절 유닛에 있어서의 전열매체의 순환 유로의 구성예를 도시하는 도면.
도 4는 전열매체의 온도 제어 시스템의 구성예를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 있어서의 온도 조절법의 조작순서의 예를 나타내는 플로우 차트.
도 6은 플라즈마 처리 장치에 있어서의 스텝 온도 조절의 예를 나타내는 도.
부호의 설명A
1 챔버
2 서셉터(하부 전극)
15 샤워헤드(상부 전극)
18 전열매체 유로
19 온도 조절 유닛
20 배관
21 온도 제어 장치
W 반도체 웨이퍼
35 칸막이 벽
36 외측 유로
37 내측 유로
38a, 38b 유입구
39a, 39b 유출구
40, 40a, 40b 펌프
41a, 41b 바이패스 유로
42 가열부
43 냉각부
44 유량 조절 밸브

Claims (9)

  1. 피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 온도 계통별의 온도 조절부를 복수 구비한 탑재대와,
    상기 온도 조절부를 지나 온도 계통별로 유체가 순환하며 흐르는 순환 유로와,
    상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 높은 온도의 가열 유체가 흐르는 가열 유로와,
    상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 낮은 온도의 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로와,
    상기 탑재대 근방에서, 상기 순환 유로와 상기 가열 유로와 상기 냉각 유로를 온도 계통별로 합류시킴과 동시에, 상기 온도 조절부에 출력하는 유체의 각 유로로부터의 유량비를 조절하는 유량 조절 수단을 포함하는 합류부를 구비한 것을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 조절부보다도 하류측의 유체를 흡인하여 상기 순환 유로, 상기 가열 유로, 및 상기 냉각 유로에 토출하는 펌프를 온도 계통별로 구비한 것을 특징으 로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유량 조절 수단은, 상기 온도 조절부로 흐르는 유체의 온도를 검출하는 온도 검출 수단에 의한 검출값을 소정의 온도 레벨이 되도록 피드백 제어하는 것임을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 장치.
  4. 피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 온도 계통별의 온도 조절부를 복수 구비한 탑재대와,
    상기 온도 조절부를 지나 온도 계통별로 유체가 순환하며 흐르는 순환 유로와,
    상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 높은 온도의 가열 유체가 흐르는 가열 유로와,
    상기 순환 유로로 흐르는 유체보다 낮은 온도의 냉각 유체가 흐르는 냉각 유로와,
    상기 탑재대의 근방에서, 상기 순환 유로와 상기 가열 유로와 상기 냉각 유로를 온도 계통별로 합류시킴과 동시에, 상기 온도 조절부에 출력하는 유체의 각 유로로부터의 유량비를 조절하는 유량 조절 수단을 포함하는 제 1 합류부와,
    상기 온도 조절부보다도 하류측에 있어서, 온도 제어부로부터 제공된 유체를 합류시키는 제 2 합류부와, 상기 제 2 합류부로부터의 유체를 흡인하여, 상기 순환 유로, 상기 가열 유로, 및 상기 냉각 유로에 토출하는 펌프를
    구비한 것을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 합류부는 상기 펌프와 일체적으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유량 조절 수단은, 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 검출하는 온도 검출 수단에 의한 검출값을 상기 소정의 온도의 값으로 피드백 제어하는 것임을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 장치.
  7. 탑재대에 탑재된 피처리 기판을 영역별로 소정의 온도로 조절하기 위한 피처리 기판의 온도 조절 방법에 있어서,
    상기 피처리 기판을 영역별로 온도 조절하는 복수의 온도 조절부를 온도 계통별로 상기 탑재대 내부에 마련하여,
    온도 계통별로 상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 목표 온도와 상기 유체의 온도를 비교하여 그 온도차를 산출하고,
    상기 유체의 온도보다 높은 온도의 가열 유체 및 상기 유체의 온도보다 낮은 온도의 냉각 유체 중 적어도 하나를, 상기 유체가 상기 온도 조절부에 유입하기 바로 전에 상기 유체에 온도 계통별로 합류시킴과 동시에, 상기 유체와 상기 가열 유체의 유량비, 상기 유체와 상기 냉각 유체의 유량비, 또는 상기 유체와 상기 가열 유체와 상기 냉각 유체의 유량비를 조절하고,
    상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 온도 계통별로 조절하는 것을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 조절부에 흐르는 유체의 온도를 온도 계통별로 검출하고, 상기 유체의 온도가 목표 온도가 되도록 피드백 제어에 의해 상기 유량비를 조절하는 것을 특징으로 하는
    피처리 기판의 온도 조절 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항의 온도 조절 장치를 구비한
    플라즈마 처리 장치.
KR1020080106009A 2007-11-02 2008-10-28 피처리 기판의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법, 및 이것을 구비한 플라즈마 처리 장치 KR101020357B1 (ko)

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