KR101170005B1 - 온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치 - Google Patents

온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치 Download PDF

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Abstract

정밀하게 그리고 고속으로 온도를 제어하며, 온도 조절 기구에 접하는 부분의 온도의 편차를 작게 유지할 수 있는 온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치를 제공한다. 냉각 재킷(6)은, 냉각 유로(61)와, 히트 레인(62)을 구비한다. 히트 레인(62)은, 수열부(受熱部; 63)와, 방열부(放熱部; 64)를 구비하고, 그 사이를 꺾어 되돌아오면서 왕복하는 환상의 세관(細管)에 2상 응축성 작동 유체(이하, 작동액이라고 함)를 봉입(封入)하여 구성된다. 방열부(64)는 냉각 유로(61)에서 냉각되는 부분, 수열부(63)는 방열부(64)보다 온도가 높은 부분이다. 수열부(63)에서는 열을 받아 작동액이 핵비등(nucleate boiling)에 의해 자여진동(自勵振動)하여, 순환하면서 현열(sensible heat)을 수송한다. 또한, 수열부(63)에서는 액상이 열을 흡수하여 기상으로 상(phase)이 전이되고, 방열부(64)에서는 기상이 열을 방출하여 냉각되어 응축하여 액상으로 상이 전이되어, 기액(氣液)의 상전이에 의해 잠열(latent heat)을 수송한다. 수열부(63)와 방열부(64)의 사이에서 열의 수송이 행해져, 단시간에 온도를 균일하게 한다.

Description

온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치{TEMPERATURE ADJUSTING MECHANISM AND SEMICONDUCTOR MANUFACTURING APPARATUS USING TEMPERATURE ADJUSTING MECHANISM}
본 발명은 온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 제조 장치는 플라즈마 처리에 관한 것을 포함한다.
반도체 산업이 발전함에 따라, 웨이퍼의 대구경화나 집적회로(IC)의 고도화?복잡화?고집적화가 요구되고 있다. 반도체 제조 장치에 있어서는, 코스트 메리트(cost merit)를 보다 높은 것으로 하기 위해 품질의 안정화가 요구되며, 예를 들면 과제의 하나로서 웨이퍼면 내의 균일성의 향상을 들 수 있다.
집적회로나 액정, 태양전지 등 대부분의 반도체 디바이스의 제조에 플라즈마 기술이 널리 이용되고 있다. 플라즈마 기술은 반도체 제조 과정의 박막의 퇴적이나 에칭 공정 등에서 이용되고 있지만, 보다 고성능이고 그리고 고기능인 제품을 위해, 예를 들면 초미세 가공 기술 등 고도의 플라즈마 처리가 요구된다. 특히, 비교적 압력이 낮은 고진공 상태에서도 안정되게 고밀도인 플라즈마를 일으킬 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 사용되는 경우가 많다. 그러나 플라즈마 처리 장치는, 마이크로파를 전파시키는 유전체창 등이 비교적 고온이 되기 쉬워, 안정되게 플라즈마를 발생시키기 위해, 온도 제어가 필요해진다.
특허문헌 1에는, 레이디얼 슬롯 라인 안테나(radial slot line antenna)를 사용한 마이크로파 플라즈마 처리 장치에 있어서, 샤워 플레이트의 냉각 효율을 최적화하고, 동시에 마이크로파의 여기(excitation) 효율을 최적화하는 것이 기재되어 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나의 방사면을, 처리실 외벽의 일부를 구성하고, 샤워 플레이트에 밀접한 커버 플레이트에 밀접하게 하고, 추가로 레이디얼 라인 슬롯 안테나 상에, 처리실 외벽 중을 두께 방향으로 흐르는 열류를 흡수하도록 냉각기를 형성한다.
특허문헌 2에는, 반도체 웨이퍼를 균열(均熱)하게 가열?냉각하기 위한 균열판을, 펠티에(Peltier) 소자가 열이송기를 통하여 냉각함으로써, 소형, 박형화하고, 그리고, 설정 온도에 대한 응답을 빨리 게다가 정밀도 좋게 할 수 있는 반도체 장치의 승강온 장치가 기재되어 있다. 열이송기를 히트 파이프 혹은 히트 레인으로 함으로써, 더욱 효율 좋게 열이송하여 균열화할 수 있다.
특허문헌 3에는, 열이송 능력이 매우 양호한 세공(細孔) 터널형 히트 파이프가 기재되어 있다. 열수송 원리로서, 작동액의 현열(sensible heat)에 의한 열수송(작동액의 진동 및 또는 순환에 의한 열수송)과, 작동액의 잠열(latent heat)에 의한 열수송(작동액의 증기 이동시의 증발 및 응축에 의한 열수송)을 이용하고 있다.
일본공개특허공보 2002-299330호 일본공개특허공보 2004-134475호 일본공개특허공보 2005-337691호
특허문헌 3의 2상 응축성 작동액의, 작동액의 현열에 의한 열수송(작동액의 진동 및/또는 순환에 의한 열수송)과, 작동액의 잠열에 의한 열수송(작동액의 증기 이동시의 증발 및 응축에 의한 열수송)을 이용한 열수송 원리는 알려져 있다.
특허문헌 2의 반도체 장치의 승강온 장치는, 설정 온도는 주로 실온 부근을 목적으로 하고 있어, 플라즈마 처리 장치 등의 높은 온도 조건하에 대해서 기재가 되어 있지 않다.
특허문헌 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 유전체창(또는 샤워 플레이트)의 과열을 억제하기 위해, 유전체창의 주변(예를 들면 당해 장치의 상부)을 열매체를 이용하여 냉각하는 방법이 채용되고 있었다. 그러나 이 방법으로는, 순환 유로의 입구 부근과 출구 부근에서 열매체에 온도차가 발생했다. 특히 피(被)냉각 대상물의 면적이 커짐에 따라, 온도차가 커지는 경향이 있었다. 순환에 이용하는 유로를 조밀하게 형성하거나, 또는 유로를 길게 형성함으로써, 냉각의 응답성이나 냉각 능력을 높이는 것은 가능해지지만, 온도의 제어에 한계가 있었다.
또한, 당해 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 처리 특성에 영향을 주는 것은, 이러한 유전체창이나 샤워 플레이트 등의 판 형상 부재의 과열에 한정되지 않고, 당해 장치의 처리 특성을 향상시키기 위해서는, 이들 판 형상 부재의 온도 분포를 보다 정밀하게 제어하는 것이 중요하다는 것을, 발명자들의 실험 등에 의해 알게 되었다.
본 발명은, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 정밀하고 그리고 고속으로 온도를 제어하여, 온도 조절 기구에 접하는 부분의 온도의 편차를 작게 유지할 수 있는 온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 관점에 따른 온도 조절 기구는, 처리 용기의 피처리 대상물을 수용하는 공간을 둘러싸는 부재에 접하는 온도 조절 기구로서,
상기 피처리 대상물을 수용하는 공간의 외면의 방향을 따라서 배치되는 환상의(annular) 세관(細管)과,
상기 환상의 세관에 봉입(封入)된, 기체와 액체와의 2상 응축성 작동 유체
를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 환상의 세관은 사행(蛇行)하여 설치되고,
당해 환상의 세관의 적어도 1 부분에 접하여 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 열교환기와 상기 피처리 대상물을 수용하는 공간과의 최소의 거리는, 적어도 상기 열교환기의 상기 최소의 거리의 범위에 있어서의, 상기 환상의 세관과 상기 피처리 대상물을 수용하는 공간과의 거리보다도 큰 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 피처리 대상물을 수용하는 공간을 둘러싸는 부재에 접하는 온도 조절 기구를 복수의 부분으로 분할한 당해 부분마다, 각각 독립된 상기 환상의 세관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 온도 조절 기구를 복수의 부분으로 분할한 당해 부분마다, 각각 독립적으로 설정된 온도로 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 온도 조절 기구를 복수의 부분으로 분할한 당해 부분마다, 상기 환상의 세관에 접하여 상기 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 부재는, 플라즈마를 상기 처리 용기에 봉지(封止)하고, 당해 플라즈마를 사이에 두고 상기 피처리 대상물과 대향하는 판 형상 부재인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 판 형상 부재의, 상기 처리 용기의 외측을 향하는 면의측에, 상기 환상의 세관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 환상의 세관을, 상기 판 형상 부재의 중심과 외주(外周)와의 사이를 꺾어 되돌아와 사행하도록 배치시키고,
상기 판 형상 부재의 주연부(周緣部) 근방에 상기 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 환상의 세관을, 상기 판 형상 부재의 중심으로부터 외주로 향하는 선을 가로질러 꺾여 되돌아와 사행하도록 배치시키고,
상기 판 형상 부재의 중심으로부터 외주로 향하는 방향을 따라서 상기 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 판 형상 부재의 주면(主面)의 연장 방향의 주위에, 상기 기체와 액체와의 2상 응축성 작동 유체를 봉입한 환상의 세관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 부재는, 당해 처리 용기의 피처리 대상물을 수용하는 공간에 있으며, 플라즈마 처리에 이용하는 가스를 당해 피처리 대상물을 향하여 도입하는 샤워 플레이트이며,
당해 샤워 플레이트의 내부에 상기 환상의 세관과, 상기 플라즈마 처리에 이용하는 가스의 가스 통로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 관점에 따른 반도체 제조 장치는, 상기 제1 관점에 따른 온도 조절 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 온도 조절 기구 및 온도 조절 기구를 이용한 반도체 제조 장치에 의하면, 정밀하게 그리고 고속으로 온도를 제어하여, 온도 조절 기구에 접하는 부분의 온도의 편차를 작게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 제조 장치인 플라즈마 처리 장치를 나타내는 구성 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 온도 조절 기구인 냉각 재킷(cooling jacket)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 냉각 재킷의 변형예를 나타내는 구성도이다.
도 4a는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 온도 조절 기구인 보지(保持; holding) 링의 구성을 나타내는 도면으로, 보지 링을 유전체창측으로부터 본 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 박스선 부분(K)의 내부의 모습을 나타내는 도면이다.
도 4c는 보지 링을 복수로 분할한 부분의 일부분에 대한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 플라즈마 처리 장치의 변형예를 나타내는 구성 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 온도 조절 기구인 하단 샤워 플레이트의 구성을 나타내는 도면으로, 하단 샤워 플레이트를 처리 용기측으로부터 본 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 일부분을 유전체창측으로부터 본 확대도이다.
도 6c는 도 6a의 M-M선 단면도다.
도 6d는 도 6a의 N-N선 단면도다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
(실시 형태 1)
이하, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 해당 부분에는 동일 부호를 붙인다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 제조 장치인 플라즈마 처리 장치의 구성 개략도이다. 도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 온도 조절 기구인 냉각 재킷의 구성도이다. 도 2에서는 설명을 위해, 냉각 재킷의 일부분에 대해서(부분 60a만) 내부의 모습을 나타낸다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 용기(챔버)(2), 유전체창(3), 안테나(4), 도파관(5), 냉각 재킷(6), 기판 보지대(7), 배기 포트(8a), 진공 펌프(8b), 고주파 전원(9), 온도 센서(12), 가스원(gas source, 13)을 구비한다. 처리 용기(2)는 배기 포트(8a)와 진공 펌프(8b)를 구비하여, 상부 개구부를 봉지한 처리 용기(2) 내를 소정의 압력으로 유지할 수 있다.
처리 용기(2)의 벽을 구성하는 일부로서, 하부 용기(2b)의 상부에 보지 링(2a)이 조립된다. 보지 링(2a)은, 처리 용기(2)의 천정측을 향하여 링 지름(내경)이 확대되는 동심원 형상의 단차를 갖고 구성되어, 유전체창(3)의 측면을 덮도록 보지하면서, 유전체창(3)의 처리 용기(2)측을 향하는 면을 계지(engagement)한다. 보지 링(2a) 및 하부 용기(2b)는, 예를 들면 알루미늄(Al) 등으로 이루어지며, 그 내벽면에는, 예를 들면 산화 처리에 의해 산화 알루미늄 등으로 이루어지는 보호막이 형성되어 있다.
유전체창(3)은 SiO2나 Al2O3 등의 마이크로파를 전파하는 유전체 재료로 형성되고, 보지 링(2a)에 주연부가 보지되어, 처리 용기(2)의 개구부를 덮을 수 있다. 유전체창(3)은, 어퍼 플레이트(upper plate; 3a), 샤워 플레이트(3b)를 구비한다. 샤워 플레이트(3b)는, 다수의 노즐 개구부(3c)와, 오목 형상의 홈(3d)과, 개구부로 연결되는 유로(3e)를 구비하고 있고, 어퍼 플레이트(3a)를 조립함으로써 연통한다. 이와 같이 연통한 유로는, 플라즈마 가스의 유로로서 기능하고, 가스원(13)으로부터 유전체창(3)으로 도입된 가스는 유전체창(3) 바로 아래의 공간(S) 중에 일관되게 공급된다.
안테나(4)는 도파부(導波部; 4a), 레이디얼 라인 슬롯 안테나(RLSA)(4b), 지파판(wavelength-shortening plate; 4c)으로 이루어진다. 지파판(4c)은 도파부(4a)와 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)와의 사이에 있으며 마이크로파 파장을 압축한다. 도파부(4a)는 냉각 재킷(6)과 일체가 되도록 실드(shield) 부재로 구성되며, 지파판(4c)은 SiO2나 Al2O3 등의 유전체 재료로 구성된다. 도파관(5)은 외측 도파관(5a)과 내측 도파관(5b)으로 이루어지는 동축(coaxial) 도파관이다.
유전체창(3) 상에는 안테나(4)가 결합되어 있다. 보다 구체적으로는, 안테나(4)의 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)가, 유전체창(3)의 어퍼 플레이트(3a)에 밀접하게 되어 있다. 안테나(4)에는 도파관(5)이 접속되어 있다. 도파부(4a)는 외측 도파관(5a)에 접속되고, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)는 내측 도파관(5b)에 결합된다.
안테나(4)의 위에는, 유전체창(3)의 온도 조절을 보조하는 냉각 재킷(6)이 형성되어 있다. 냉각 재킷(6)은 안테나(4)의 도파부(4a)와 일체가 되도록 형성됨으로써, 효율 좋게 전열(傳熱)할 수 있다. 냉각 재킷(6)은, 유전체창(3)을 향하는 면이, 면적이 동등한 동일한 형태의 4개의 부채꼴로 분할되어 있다(냉각 재킷(6)의 분할된 부채꼴의 부분(60a, 60b, 60c, 60d)). 또한, 안테나(4) 근방, 또는 도파관(5)의 주위에는 필요한 수만큼의 온도 센서(12)가 형성되어 있다. 온도 센서(12)는 안테나(4) 등의 온도를 검출하는 것이며, 예를 들면 파이버(fiber) 센서 등으로 이루어진다.
냉각 재킷(6)은, 냉각 유로(61)와 히트 레인(heat lane; 62)을 구비한다. 냉각 유로(61)는 냉각 재킷(6)의 주연부에 구비되고, 히트 레인(62)은, 냉각 재킷(6)의 중심부와 주연부의 사이를 사행하여 구비된다.
냉각 유로(61)는, 냉각 유로(61)의 내부에 열매체를 흘림으로써 냉각 재킷(6)을 냉각할 수 있다. 도면 중의 굵은 화살표는, 냉각 유로(61) 내를 흐르는 열매체의 흐름 방향을 나타낸다. 예를 들면 유전체창(3)의 상방을 냉각하고 싶은 온도에 맞추어, 미리 칠러(chiller; 도시하지 않음)의 온도를 설정해 두어, 칠러로부터 소정의 온도의 열매체를 공급한다. 열매체로 열을 빼앗음으로써 냉각 재킷(6)을 냉각하고, 냉각 재킷(6)에 대향한 유전체창(3)을 냉각할 수 있다. 열매체는, 칠러로부터 공급되어 유로 입구(61a)로부터 들어가, 냉각 유로(61)를 통하여 유로 출구(61b)로부터 배출되어, 재차 칠러에 되돌려진다. 냉각에 이용하는 열매체로서는, 예를 들면 실리콘 오일, 불소계 액체, 또는 에틸렌글리콜 등의 액체의 열교환 매체를 이용할 수 있다.
히트 레인(62)은, 수열부(受熱部; 63)(증발부)와 방열부(放熱部; 64)(응축부)를 구비하고, 수열부(63)와 방열부(64)의 사이를 교대로, 몇 번이나 꺾여 되돌아오도록 왕복하는 환상의 세관에, 2상 응축성 작동 유체(이하, 작동액이라고 함)를 봉입하여 구성된다. 환상이란, 사이가 단절됨이 없이 관이 형성된 형태를 의미하며, 히트 레인(62)의 내부에 봉입한 유체가 도중에 끊어지는 일 없이 순환할 수 있음을 나타낸다. 이때 히트 레인(62) 안의 작동액은, 목적하는 온도 범위에서 작동 유체가 액상으로부터 기상으로 상전이(phase transition)하는 압력으로 봉입된다.
방열부(64)는 냉각 재킷(6)의 주연부의 냉각 유로(61)에서 냉각되는 부분으로, 도면 중의 1점쇄선으로 둘러싼 부분을 나타낸다. 수열부(63)는 방열부(64)와 떨어진 위치, 여기에서는 냉각 재킷(6)의 중심부 부근에 설정되며, 도면 중의 점선으로 둘러싼 부분을 나타낸다. 히트 레인(62)에 구비된 열교환기가 냉각을 행하는 냉각 유로(61)이기 때문에, 열교환기가 있는 부분을 방열부(64)로 했지만, 열교환기가 가열하는 타입인 경우는, 열교환기가 있는 부분이 수열부(63)가 된다. 도면 중에서는, 알기 쉽게 설명하기 위해 수열부(63) 및 방열부(64)를 선으로 둘러싸서 나타내고 있다. 실제는, 히트 레인(62)의 냉각되는 부분으로서, 온도가 낮은 부분이 방열부(64)로서 기능하고, 방열부(64)와 비교하여 온도가 높은 부분이 수열부(63)로서 기능한다.
수열부(63)에서는 열을 받아 작동액이 핵비등(nucleate boiling)하고, 작동액이 자여진동(自勵振動)하여, 순환하면서 현열을 수송한다. 도면 중의 가는 화살표는 작동액이 순환하는 모습을 나타내며, 실선의 화살표는 수열부(63)로부터 방열부(64)로, 점선의 화살표는 방열부(64)로부터 수열부(63)로의 이동을 나타낸다. 또한, 수열부(63)에서는 작동액이 열을 흡수하여 액상으로부터 기상으로의 상전이가 일어나고, 방열부(64)에서는 열을 방출하여 냉각되어 기상이 응축해 기상으로부터 액상으로의 상전이가 일어나, 이들 기액(氣液)의 상전이에 의해, 잠열을 수송한다. 이와 같이 히트 레인(62)은, 현열 수송과 잠열 수송에 의해, 수열부(63)와 방열부(64)와의 사이에서 열의 수송이 행해진다. 또한 히트 레인(62)은, 수열부(63)와 방열부(64)와의 사이에 한정되지 않고, 온도차가 있으면 그 사이에서 항상 열수송이 행해지기 때문에, 온도차가 작아져, 단시간에 온도를 균일하게 하는 것이 가능해진다.
히트 레인(62)은, 냉각 재킷(6) 내를, 유전체창(3)의 중심과 외주와의 사이를 꺾어 되돌아와 사행하도록, 그리고, 어느 부분에 있어서도, 수열부(63)에서 방열부(64)까지의 거리가 동일해지도록 형성된다. 그 때문에, 냉각 재킷(6)의 중심부와 주연부의 온도 분포는 동일하고, 또한, 어느 지름 방향에 있어서도 온도 분포는 동일해지기 때문에, 냉각 재킷(6) 내의 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
냉각 재킷(6)은, 플라즈마 형성시에 있어서, 도파관(5) 부근이 가장 온도가 높고, 주연 부분으로 향함에 따라 온도가 낮아지는 점에서, 히트 레인(62)의 수열부(63)는 온도가 높은 부분에 놓여지게 된다. 히트 레인(62)에 의해, 수열부(63)와 방열부(64)의 사이의 온도가 균일해지도록 열수송이 행해지지만, 동시에, 수열부(63)에서 수취한 열이 방열부(64)에 축적되어 간다. 냉각 재킷(6)에 구비된 냉각 유로(61)에서, 방열부(64)에 축적된 열을 빼앗아, 히트 레인(62)의 열의 축적을 방지할 수 있다. 또한 냉각 유로(61)에 의해 빼앗는 열량을 축적된 열량보다 많게 함으로써, 냉각 재킷(6)을 냉각할 수 있다. 이와 같이, 히트 레인(62)을 구비한 냉각 재킷(6)은, 그 면 내에 있어서, 소정의 온도로 냉각을 행하면서, 단시간에 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또한, 냉각 재킷(6)은, 유전체창(3)을 향하는 면이, 면적이 동등한 동일한 형태의 4개의 부채꼴로 분할되어 있다. 이 분할된 부채꼴의 부분(60a, 60b, 60c, 60d)(이하 부분(60n)이라고 함)마다, 온도 조절을 행하는 것도 가능하다. 복수의 온도 센서(12)와 검출한 안테나(4)의 온도에 맞추어, 부분(60n)에 구비되어 있는 냉각 유로(61)를 제어하여, 소정의 온도로 설정한 열매체를 흘림으로써, 냉각 재킷(6)의 부분(60n)을 소망하는 온도로 냉각할 수 있다. 열매체의 온도 조절은, 예를 들면 칠러에 구비된 온도 조절 수단으로써 행하여, 유로 입구(61a)로부터 소정의 온도로 냉각 유로(61)에 열매체를 공급한다. 냉각 재킷(6)의 부분(60n)은, 분할된 부분마다 소정의 온도로 제어할 수 있고, 그리고, 히트 레인(62)으로 그 부분(60n)에 있어서의 온도 분포를 균일화할 수 있다.
이하, 간단하게 플라즈마 처리의 방법에 대해서 설명한다. 플라즈마 처리 장치(1)의 처리 용기(2)는 유전체창(3)에 의해 막혀 있다. 이때 처리 용기(2) 내는, 배기 포트(8a) 및 진공 펌프(8b)로 배기, 감압하여, 진공 상태로 한다.
마이크로파원(microwave source)으로부터 도파관(5)을 통하여 마이크로파를 공급한다. 마이크로파는 도파부(4a)와 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)와의 사이를 지름 방향으로 전파하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)의 슬롯으로부터 방사된다.
처리 용기(2) 내에 마이크로파가 급전되어 플라즈마를 생성할 때에, 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe) 및, 질소(N2) 등의 불활성 가스와 필요에 따라서 수소 등의 프로세스 가스를, 가스원(13)으로부터 가스 유로에 공급한다. 가스는 유전체창(3) 바로 아래에 균일하게 방사하여, 처리 용기(2) 내로 도입한다. 고주파 전원(9)에 전압을 인가하고, 공간(S)에 형성된 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe) 플라즈마를 유도하여, 기판 보지대(7)에 설치한 피처리 기판(W)에 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 예를 들면 피처리 기판(W) 상에 절연막 등의 성막, 소위 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 행한다. 피처리 기판(W)을 반입하여 플라즈마 처리 후에 반출하는 일련의 흐름을 반복하여, 소정 매수의 기판에 대하여 소정의 기판 처리를 행한다.
플라즈마를 형성할 때의 발열에 의해 유전체창(3) 부근은 고온이 되고, 그리고, 유전체창(3) 자체에 열이 축적되기 때문에 온도 분포가 발생하기 쉽다. 냉각 재킷(6)에 구비한 냉각 유로(61)에 의해, 유전체창(3)을 냉각할 수 있다. 냉각 재킷(6)은, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서의 발열 부위 부근의 안테나(4) 상에 설치할 수 있고, 유전체창(3)에 축적된 열을, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)를 개재하여 흡수하여, 효율 좋게 냉각할 수 있어, 장치 내의 다른 부분에 온도 영향을 주기 어렵다.
도파관(5) 부근에 위치하는 유전체창(3)의 중심부와 주연부에 있어서도, 온도 분포가 발생하기 쉽다. 히트 레인(62)에 의해, 냉각 재킷(6)의 중심부와 주연부의 온도차를 단시간에 해소할 수 있다. 또한, 어느 지름 방향에 있어서도 히트 레인(62)이 동일한 길이로 구비되어 있음으로써, 냉각 재킷(6)의 면 내의 온도 분포를 균일하게 할 수 있다. 따라서, 냉각 재킷(6)에 대향하는 유전체창(3)을 단시간에 소정의 온도로 유지하고, 그리고, 온도 분포를 균일하게 하는 것이 가능해져, 안정되게 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 피처리 기판(W)에 플라즈마 처리를 행할 때, 플라즈마 모드에 맞춘 온도 조절을 행함으로써, 보다 안정되게 플라즈마를 형성하는 것이 가능해진다. 냉각 재킷(6)의 유전체창(3)을 향하는 면을 분할한 부분(60n)의, 냉각 유로(61)를 흐르는 열매체의 온도를 설정할 수 있다. 부분(60n)마다, 소정의 온도로 냉각하고, 그리고, 히트 레인(62)에서 그 부분(60n) 내의 온도 분포를 균일하게 함으로써, 플라즈마 형성의 매우 적합한 조건을 유지하는 것이 가능해진다.
(실시 형태 1의 변형예)
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 온도 조절 기구인 냉각 재킷의 변형예의 구성도이다. 도 3에서는 설명을 위해, 냉각 재킷의 일부분에 대해서(부분(65a)만) 내부의 모습을 나타낸다. 냉각 재킷(6)을 구비하는 반도체 제조 장치는, 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)를 이용하고 있으며, 냉각 재킷(6)의 구조 이외는, 실시 형태 1에 나타낸 바와 같다.
냉각 재킷(6)은, 유전체창(3)을 향하는 면이, 면적이 동등한 동일한 형태의 3개의 부채꼴로 분할되어 있다(냉각 재킷(6)의 분할된 부채꼴의 부분(65a, 65b, 65c)). 도 3에서는, 설명을 위해, 부분(65a)만 내부의 모습을 나타낸다.
냉각 재킷(6)은, 분할된 부분마다, 냉각 유로(66)와 히트 레인(67a, 67b)을 구비한다. 냉각 유로(66)는, 분할된 부채꼴의 부분(65a)을 한가운데로부터 구획하도록, 중심과 외주를 연결하는 선 상에 구비된다. 그 냉각 유로(66)를 사이에 두고 경면(鏡面) 대칭이 되도록, 히트 레인(67a, 67b)은 형성된다. 이하, 히트 레인(67a)과 히트 레인(67b)은 경면 대칭의 관계이며, 기능 등은 동일하기 때문에, 히트 레인(67b)의 설명을 생략한다. 히트 레인(67a)은, 분할된 부분(65a) 내에서, 부채꼴의 원호를 따라서, 반복될 때마다 그 원호의 지름을 크게 하면서, 연속된 1개의 환상으로 형성된다. 히트 레인(67a)은, 원호를 따라서 곡선에 한하지 않고, 중심으로부터 외주로 향하는 선을 가로지르도록 직선으로 형성되어도 좋으며, 분할된 부분(65a) 내에서 조밀해지도록 형성된다.
냉각 유로(66)는, 그 내부에 열매체를 흘림으로써 냉각 재킷(6)을 냉각할 수 있다. 도면 중의 굵은 화살표는, 냉각 유로(66) 내를 흐르는 열매체의 흐름 방향을 나타낸다. 고온이 되기 쉬운 도파관(5) 부근의 유로 입구(66a)로부터 냉각 유로(66) 내부에 열매체를 공급하고, 비교적 저온인 유전체창(3) 주연부 근방의 유로 출구(66b)로부터 열매체를 배출함으로써, 효율 좋게 유전체창(3) 근방을 냉각할 수 있다. 열매체는, 미리 칠러의 온도를 설정해 두고, 칠러를 기점?종점으로 하여 열매체를 냉각 유로(66) 내에 순환시킴으로써, 소정의 온도로 유전체창(3)을 냉각할 수 있다. 냉각에 이용하는 열매체로서는, 예를 들면 실리콘 오일, 불소계 액체, 또는 에틸렌글리콜 등의 액체의 열교환 매체를 이용할 수 있다.
히트 레인(67a)은, 수열부(증발부)(68a)와, 방열부(응축부)(69)를 구비하고, 수열부(68a)와 방열부(69)의 사이를 교대로, 몇 번이나 꺾여 되돌아오도록 왕복하는 환상의 세관에 2상 응축성 작동 유체(이하, 작동액이라고 함)를 봉입하여 구성된다. 환상이란, 사이가 단절됨이 없이 관이 형성된 모습을 의미하고, 히트 레인(67a)의 내부에 봉입한 유체가 도중에 끊어지는 일 없이 순환할 수 있음을 나타낸다. 이때 히트 레인(67a) 안의 작동액은, 목적하는 온도 범위에서 작동 유체가 액상으로부터 기상으로 상전이하는 압력으로 봉입된다.
방열부(69)는, 냉각 재킷(6)의 중심으로부터 외주를 향하는 선 상에 구비된 냉각 유로(66)에서 냉각되는 부분으로, 도면 중의 1점쇄선으로 둘러싼 부분을 나타낸다. 수열부(68a)는, 방열부(69)와 떨어진 위치, 여기에서는 냉각 재킷(6)의 분할된 부분(65a)의 부채꼴의 일단에 설정되며, 도면 중의 점선으로 둘러싼 부분을 나타낸다. 히트 레인(67a)에 구비된 열교환기가 냉각을 행하는 냉각 유로(66)이기 때문에, 열교환기가 있는 부분을 방열부(69)로 했지만, 열교환기가 가열하는 타입인 경우는, 열교환기가 있는 부분이 수열부(68a)가 된다. 도면 중에서는, 알기 쉽게 설명하기 위해 수열부(68a) 및 방열부(69)를 선으로 둘러싸서 나타내고 있다. 실제는, 히트 레인(67a)의 냉각되는 부분으로서, 온도가 낮은 부분이 방열부(69)로서 기능하고, 방열부(69)와 비교하여 온도가 높은 부분이 수열부(68a)로서 기능한다.
수열부(68a)에서는 열을 받아 작동액이 핵비등하고, 작동액이 자여진동하여, 순환하면서 현열을 수송한다. 도면 중의 가는 화살표는 작동액이 순환하는 모습을 나타내며, 실선의 화살표는 수열부(68a)로부터 방열부(69)로, 점선의 화살표는 방열부(69)로부터 수열부(68a)로의 이동을 나타낸다. 또한, 수열부(68a)에서는 작동액이 열을 흡수하여 액상으로부터 기상으로의 상전이가 일어나고, 방열부(69)에서는 열을 방출하여 냉각되어 기상이 응축해 기상으로부터 액상으로의 상전이가 일어나, 이들 기액의 상전이에 의해, 잠열을 수송한다. 이와 같이 히트 레인(67a)은, 현열 수송과 잠열 수송에 의해, 수열부(68a)와 방열부(69)와의 사이에서 열의 수송이 행해진다. 또한 히트 레인(67a)은 수열부(68a)와 방열부(69)와의 사이에 한하지 않고, 온도차가 있으면 그 사이에서 항상 열수송이 행해지기 때문에, 온도차가 작아져, 단시간에 온도를 균일하게 하는 것이 가능해진다.
또한, 수열부(68a)에서 수취한 열은, 열수송에 의해 방열부(69)로 옮겨져 방열부(69)에 열이 축적되어 가지만, 냉각 유로(66)의 열매체를 이용하여, 이 축적되는 열을 빼앗아, 냉각 재킷(6)의 냉각을 행한다. 그 때문에, 히트 레인(67a)을 구비한 냉각 재킷(6)은, 그 면 내에 있어서, 소정의 온도로 냉각을 행하면서, 단시간에 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또한, 냉각 재킷(6)은, 유전체창(3)을 향하는 면이, 면적이 동등한 동일한 형태의 3개의 부채꼴로 분할되어 있다. 이 분할된 부채꼴의 부분(65a, 65b, 65c) 각각의 온도 조절을 행하는 것도 가능하다. 부분(65a, 65b, 65c)에 구비하고 있는 냉각 유로(66) 중에, 소정의 온도로 설정한 열매체를 흘림으로써, 분할된 부분마다 소망하는 온도로 냉각할 수 있다. 열매체의 온도는, 칠러에 의한 온도 조절로써 행하고, 유로 입구(66a)로부터 소정의 온도로 냉각 유로(66)에 열매체를 공급한다. 냉각 재킷(6)은, 단시간에, 분할된 부분(65a, 65b, 65c) 각각을 소정의 온도로 제어할 수 있고, 그리고, 히트 레인(67)으로 그 부분에 있어서의 온도 분포를 균일화할 수 있다.
(실시 형태 2)
도 4는, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 온도 조절 기구인 보지 링의 구성도이다. 도 4a는 유전체창(3)측으로부터 본 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 박스선 부분(K)의 내부의 모습을 나타내는 도면이며, 도 4c는 보지 링(2a)의 일부분에 대한(복수로 분할된 부분의 부분(20a)만) 사시도를 나타낸다. 보지 링(2a)을 구비하는 반도체 제조 장치는, 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(1)를 이용하고 있으며, 기본적인 구조는 실시 형태 1과 동일하다.
유전체창(3)을 계지하는 보지 링(2a)은, 유전체창(3)의 원주 부분을 3등분 하도록 분할된 부분(20a, 20b, 20c)마다, 히트 레인(21a, 21b)과, 냉각 유로(24)를 구비하여, 유전체창(3)을 측방으로부터 냉각할 수 있다. 히트 레인(21a, 21b)은, 냉각 유로(24)를 중심으로 대칭으로 배치된다. 냉각 유로(24)는, 그 내부에 열매체를 흘림으로써, 보지 링(2a)의 열을 빼앗아 냉각을 행한다. 구체적으로는, 칠러로부터 공급된 열매체는, 유로 입구(24a)로부터 들어가, 보지 링(2a) 내에 형성된 냉각 유로(24)를 통하여, 유로 출구(24b)로부터 배출되어, 재차 칠러에 되돌려진다. 냉각 유로(24)를 통과할 때, 열매체로 보지 링(2a)의 열을 빼앗아, 냉각을 행한다. 미리 칠러의 온도를 설정해 둠으로써, 소정의 온도로 보지 링(2a)을 냉각할 수 있다. 냉각에 이용하는 열매체로서는, 예를 들면 실리콘 오일, 불소계 액체, 또는 에틸렌글리콜 등의 액체의 열교환 매체를 이용할 수 있다.
히트 레인(21a)은, 분할된 부분(20a)에, 수열부(증발부)(22a)와 방열부(응축부)(23)를 구비하고, 수열부(22a)와 방열부(23)의 사이를 교대로, 유전체창(3)의 외주를 둘레 방향으로 몇 번이나 꺾여 되돌아오도록 왕복하는 환상의 세관에 2상 응축성 작동 유체(이하, 작동액이라고 함)를 봉입하여 구성된다. 환상의 세관이란, 사이가 단절됨이 없이 관이 형성되어, 히트 레인(21a)에 소정의 압력으로 봉입한 작동액이 순환될 수 있는 세관을 의미한다. 히트 레인(21a)에 작동액을 봉입할 때의 압력은, 목적하는 온도 범위에서 작동 유체가 액상으로부터 기상으로 상전이 가능한 압력으로 한다.
방열부(23)는, 보지 링(2a)의 냉각 유로(24)로 냉각되는 부분으로, 부분(20a)의 일단에 있고, 도면 중의 1점쇄선으로 둘러싼 부분을 나타낸다. 수열부(22a)는, 부분(20a)의 방열부(23)에 대향하는 타단에 설정되며, 도면 중의 점선으로 둘러싼 부분을 나타낸다. 보지 링(2a)의 부분(20a, 20b, 20c)마다, 냉각 유로(24)를 중심으로 하여 좌우 대칭으로, 히트 레인(21a, 21b)이 형성된다. 방열부(23)를 공용하고, 그 양단에, 각각의 히트 레인(21a, 21b)에 대응하는 수열부(22a, 22b)가 구비된다. 도면 중에서는, 알기 쉽게 설명하기 위해 수열부(22a) 및 방열부(23)를 선으로 둘러싸서 나타내고 있다. 실제는, 히트 레인(21)이 냉각되는 부분으로서, 온도가 낮은 부분이 방열부(23)로서 기능하고, 방열부(23)와 비교하여 온도가 높은 부분이 수열부(22)로서 기능한다.
수열부(22a)에서는 열을 받아 작동액이 핵비등하고, 작동액이 자여진동하여, 순환하면서 현열을 수송한다. 도면 중의 가는 화살표는 작동액이 순환하는 모습을 나타내며, 실선의 화살표는 수열부(22a)로부터 방열부(23)로, 점선의 화살표는 방열부(23)로부터 수열부(22a)로의 이동을 나타낸다. 또한, 수열부(22a)에서는 작동액이 열을 흡수하여 액상으로부터 기상으로의 상전이가 일어나고, 방열부(23)에서는 열을 방출하여 냉각되어 기상이 응축해 기상으로부터 액상으로의 상전이가 일어나, 이들 기액의 상전이에 의해, 잠열을 수송한다. 이와 같이 히트 레인(21a)은, 현열 수송과 잠열 수송에 의해, 수열부(22a)와 방열부(23)의 사이에서 열의 수송이 행해진다. 또한 히트 레인(21a)은, 수열부(22a)와 방열부(23)와의 사이에 한하지 않고, 온도차가 있으면 그 사이에서 항상 열수송이 행해지기 때문에, 온도차가 작아져, 단시간에 온도를 균일하게 하는 것이 가능해진다.
동시에, 히트 레인(21a)의 수열부(22a)에서 받은 열을 방열부(23)에 수송하여, 방열부(23)에 열이 축적되어 간다. 보지 링(2a)에 구비된 냉각 유로(24)에 의해, 방열부(23)에 축적된 열을 빼앗아 열의 상승을 방지하고, 추가로 소정의 열량을 빼앗음으로써, 소망하는 온도로 냉각할 수 있다.
히트 레인(21b)에 있어서도, 히트 레인(21a)과 동일하게 열수송이 행해져, 온도 분포가 균일하게 되고, 또한, 히트 레인(21b)이 구비된 부분의 냉각이 가능하다. 또한, 보지 링(2a)의 부분(20a)뿐만 아니라, 부분(20b, 20c)마다에 있어서도 동일하여, 그 결과, 보지 링(2a)은, 히트 레인(21) 및 냉각 유로(24)를 구비함으로써, 유전체창(3)을 측방으로부터 소정의 온도로 냉각하고, 그리고, 온도 분포를 균일하게 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 보지 링(2a)은, 플라즈마에서 발생하는 열을 공간(S)의 측방에 전하여 냉각한다. 이때 발생하는 보지 링(2a) 내에서의 온도차는, 플라즈마를 발생시키는 공간(S)에 직접 접하는 부분인, 히트 레인(21a, 21b)에서는 매우 작아, 프로세스 처리(플라즈마 발생을 위한 조건 등)에 온도의 영향을 거의 주지 않는다. 보지 링(2a)의 온도차는 주로, 히트 레인(21a, 21b)와 냉각 유로(24)와의 사이에서 발생하고, 특히 방열부(23)의 냉각 유로(24) 부근에서 발생하지만, 냉각 유로(24)를 보지 링(2a)으로부터 외측으로 돌출시킨 부분에 배치함으로써, 공간(S)에 직접 접하는 일이 없다. 그 때문에, 프로세스 처리를 행하는 공간(S)에 온도의 영향을 주는 일 없이, 보지 링(2a)의 내면을 거의 균일한 온도로 유지할 수 있다.
또한 보지 링(2a)은, 유전체창(3)의 원주 부분을 3등분 하도록 분할된 부분(20a, 20b, 20c)으로 구성되어 있고, 그 부분마다 히트 레인(21a, 21b) 및 냉각 유로(24)를 구비하며, 각각의 냉각 유로(24)는 유로 입구(24a)와 유로 출구(24b)를 구비한다. 유로 입구(24a)에 들어가기 전의 열매체의 온도를, 칠러로 개별적으로 온도를 제어함으로써, 부분(20a, 20b, 20c)마다 냉각하는 온도를 바꿀 수 있다. 부분(20a, 20b, 20c)마다 온도 설정은 상이하지만, 그 부분(20a, 20b, 20c)에 냉각되는 면 내의 온도 분포는 히트 레인(21a, 21b)에 의해 균일화된다. 온도 분포를 균일하게 하고, 부분마다 소정의 온도로 설정함으로써, 플라즈마 모드를 유지하기 위해 보다 최적인 온도 조건을 유지할 수 있다.
(실시 형태 3)
도 5는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 반도체 제조 장치인 플라즈마 처리 장치의 변형예를 나타내는 구성 개략도이다. 도 6a는 본 발명의 실시 형태 3에 따른 온도 조절 기구인 하단 샤워 플레이트의 구성도이며, 도 5에 나타내는 플라즈마 처리 장치(51)에 구비한 하단 샤워 플레이트(10)를 처리 용기(2)측으로부터 본 평면도를 나타낸다. 도 6b는 도 6a의 부분 확대도로, 유전체창(3)으로부터 본 도면이다. 도 6c는 도 6a의 M-M선 단면도이고, 도 6d는 도 6a의 N-N선 단면도를 나타낸다.
플라즈마 처리 장치(51)의 구성은, 실시 형태 1에서 나타낸 플라즈마 처리 장치(1)와 거의 동일하다. 처리 용기(2)의 보지 링(2a)과 하부 용기(2b)와의 사이에, 처리 가스 공급 구조체인 하단 샤워 플레이트(10)를 구비한다. 처리 용기(2) 내의 공간(S)을, 하단 샤워 플레이트(10)로 구획지어, 하부 공간을 공간(S1), 상부 공간을 공간(S2)으로 한다.
하단 샤워 플레이트(10)는, 프레임(100), 개구부(101), 가스 공급 포트(102), 가스 통로(103), 복수의 가스 분사구(104), 히트 레인(105)을 구비한다. 프레임(100)은, 원판의 형상으로 그 내부가 격자 형상으로 형성된다. 프레임(100)은 내부에 가스 통로(103), 히트 레인(105)을 구비하고, 내부의 피처리 기판(W)측(즉 공간(S1)측)에 가스 통로(103)가, 유전체창(3)측(즉 공간(S2)측)에 히트 레인(105)이 형성된다.
하단 샤워 플레이트(10)의 프레임(100)의 격자로 만들어진 공간의 개구부(101)로부터, 공간(S1)에서 형성된 플라즈마나 플라즈마 중에 포함되는 처리 가스를 통과시킬 수 있다. 가스 공급 포트(102), 가스 통로(103), 복수의 가스 분사구(104)는 연통되어 있어, 처리 가스원(14)으로부터 공급된 가스를, 하단 샤워 플레이트(10)를 통하여 공간(S1)에 방출하여, 피처리 기판(W)에 대응하는 범위 전역에 균일하게 분포하는 역할을 갖는다.
하단 샤워 플레이트(10)는, 처리 용기(2)의 보지 링(2a)과 하부 용기(2b)와의 사이에 구비되어 있어, 하단 샤워 플레이트(10)의 주연 부분(가스 통로 주연부(103b)보다 외측)은, 처리 용기(2)의 벽에 장치된다. 플라즈마를 형성할 때에 발생하는 열이 하단 샤워 플레이트(10)에 축적되는 것을 방지하기 위해, 주연 부분에 냉각 유로(106)를 구비한다. 냉각 유로(106)는, 그 내부에 열매체를 흘림으로써, 하단 샤워 플레이트(10)의 열을 빼앗아 냉각을 행한다. 구체적으로는, 칠러로부터 공급된 열매체는, 유로 입구(106a)로부터 들어가, 냉각 유로(106)를 통하여, 유로 출구(106b)로부터 배출되어, 재차 칠러에 되돌려진다. 냉각 유로(106)를 통과할 때, 열매체로 하단 샤워 플레이트(10)의 주연 부분으로부터 열을 빼앗아 냉각을 행한다. 미리 칠러의 온도를 설정해 둠으로써, 소정의 온도로 보지 링(2a)을 냉각할 수 있다. 냉각에 이용하는 열매체로서는, 예를 들면 실리콘 오일, 불소계 액체, 또는 에틸렌글리콜 등의 액체의 열교환 매체를 이용할 수 있다. 냉각 유로(106)를 주연 부분에 구비함으로써, 직접, 공간(S1이나 S2)에 접하는 일이 없고, 플라즈마의 형성 조건(여기에서는 온도 조건)에 영향을 주는 일 없이, 냉각하는 것이 가능해진다.
히트 레인(105)은, 프레임(100)의 격자 형상 부분에 수열부(증발부)(100a)를, 프레임(100)의 주연 부분에 방열부(응축부)(100b)를 구비하고, 그들 사이를 교대로 통과하는 환상의 세관에, 2상 응축성 작동 유체(이하, 작동액이라고 함)를 봉입하여 구성된다. 이 히트 레인(105)은, 1개 또는 복수의 사이가 단절됨이 없는 환상의 세관으로 형성되며, 각각의 세관에서 작동액이 순환한다. 이때 히트 레인(105) 중의 작동액은, 목적하는 온도 범위에서 작동 유체가 액상으로부터 기상으로 상전이하는 압력으로 봉입된다.
방열부(100b)는 냉각 유로(106)로 냉각되는 부분으로, 프레임(100)의 주연 부분(가스 통로 주연부(103b)보다 외측)에 있다. 수열부(100a)는 공간(S1)에 접하는 부분의, 프레임(100)의 격자 부분이다. 냉각 유로(106)를 구비하지 않는 경우라도, 프레임(100)의 주연 부분은, 처리 용기(2)의 외부 공간에 가깝고, 또한, 플라즈마를 형성할 때에 발생하는 열 등에 직접 접하는 일이 없어 중심의 격자 형상 부분보다 온도가 낮기 때문에, 프레임(100)의 주연 부분은 방열부(100b), 격자 형상 부분은 수열부(100a)가 된다.
히트 레인(105)의 수열부(100a)에서는 열을 받아 작동액이 핵비등하고, 작동액이 자여진동하여, 순환하면서 현열을 수송한다. 또한, 수열부(100a)에서는 작동액이 열을 흡수하여 액상으로부터 기상으로의 상전이가 일어나고, 방열부(100b)에서는 열을 방출하여 냉각되어 기상이 응축해 기상으로부터 액상으로의 상전이가 일어나, 이들 기액의 상전이에 의해, 잠열을 수송한다. 이와 같이 현열 수송과 잠열 수송에 의해, 수열부(100a)와 방열부(100b)의 사이에서 열의 수송이 행해진다. 또한, 히트 레인(105)은, 수열부(100a)와 방열부(100b)와의 사이에 한하지 않고, 온도차가 있으면 그 사이에서 항상 열수송이 행해지기 때문에, 온도차가 작아져, 단시간에 온도를 균일하게 하는 것이 가능해진다.
하단 샤워 플레이트(10)의 온도차는 주로, 히트 레인(105)과 냉각 유로(106)와의 사이, 즉, 프레임(100)의 주연 부분에 있는 히트 레인(105) 부근에서 발생한다. 또한, 히트 레인(105) 내, 즉, 프레임(100)의 격자 형상 부분 내에서의 온도차는 작다. 프레임(100)은, 격자 형상 부분에 있어서 공간(S1, S2)에 접하기 때문에, 온도차가 발생하면, 프로세스 처리(플라즈마 발생을 위한 조건 등)에 온도의 영향을 줄 우려가 있다. 그러나, 주로, 냉각 유로(106)를 구비하는 프레임(100)의 주연 부분에 있어서 온도차는 발생한다. 그 때문에, 프로세스 처리를 행하는 공간(S1, S2)에 온도의 영향을 주는 일 없이, 프레임(100)의 격자 형상 부분을 거의 균일한 온도로 유지할 수 있다.
따라서 온도차가 해소되어, 하단 샤워 플레이트(10)의 피처리 기판(W)에 대한 면 내의 온도 분포를 단시간에 균일하게 하는 것이 가능하다. 또한 수열부(100a)에서 수취한 열은, 열수송에 의해 방열부(100b)에 옮겨져 축적되어 가지만, 냉각 유로(106)의 열매체를 이용하여 이 축적되는 열을 빼앗아, 하단 샤워 플레이트(10)의 냉각을 행한다. 그 때문에, 히트 레인(105)을 구비한 하단 샤워 플레이트(10)는, 그 면 내에 있어서, 소정의 온도로 냉각을 행하면서, 단시간에 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
이하, 간단하게, 플라즈마 처리의 방법에 대해서 설명한다. 플라즈마 처리 장치(51)의 처리 용기(2)는 유전체창(3)에 의해 막혀 있다. 이때 처리 용기(2) 내는, 배기 포트(8a) 및 진공 펌프(8b)로 배기, 감압하여, 진공 상태로 한다.
마이크로파원으로부터 도파관(5)을 통하여 마이크로파를 공급한다. 마이크로파는 도파부(4a)와 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)와의 사이를 지름 방향으로 전파하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(4b)의 슬롯으로부터 방사된다.
마이크로파에 의해 플라즈마화할 때에, 가스원(13)으로부터 유전체창(3)을 통하여, 아르곤(Ar) 또는 크세논(Xe) 등의 플라즈마 가스를 공간(S2)에 공급한다. 공간(S2)에서 형성된 플라즈마나 플라즈마 중에 포함되는 처리 가스는, 하단 샤워 플레이트(10)의 개구부(101)로부터 공간(S1)으로 통과한다.
처리 가스원(14)으로부터 하단 샤워 플레이트(10)를 통하여, 플루오로카본 가스(C5F8)나 에칭 가스 등의 처리 가스를, 공간(S1)의 피처리 기판(W)에 대응하는 범위 전역에 균일하게 분포시킨다. 플라즈마의 마이크로파 여기는 공간(S2)에 있어서만 발생하게 되며, 피처리 기판(W)의 표면을 포함하는 공간(S1)에 있어서는 공간(S2)으로부터 확산해 온 플라즈마에 의해 처리 가스가 활성화되어, 기판 보지대(7)에 설치한 피처리 기판(W)에 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 또한, 플라즈마 착화(着火)시에 피처리 기판(W)이 직접 마이크로파에 노출되지 않게 되기 때문에, 불량률을 저감할 수 있다. 플라즈마 처리로서는 예를 들면 피처리 기판(W) 상에 절연막 등의 성막, 소위 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 행한다. 피처리 기판(W)을 반입하여 플라즈마 처리 후에 반출한다고 하는 일련의 흐름을 반복하여, 소정 매수의 기판에 대하여 소정의 기판 처리를 행한다.
플라즈마를 형성할 때, 유전체창(3) 및 유전체창(3) 부근은 고온이 되며, Al 등의 재료, 또는 세라믹 등의 재료로 이루어지는 하단 샤워 플레이트(10)도 고온이 되고, 또한, 열이 축적되기 때문에 온도 분포가 발생하기 쉽다. 플라즈마를 형성하는 공간(S1) 부근에 온도 분포가 발생하면, 플라즈마의 형성을 불안정하게 하는 요인이 된다. 하단 샤워 플레이트(10)에 구비된 히트 레인(105)에 의해, 단시간에 온도 분포를 균일하게 할 수 있고, 그리고, 냉각에 의해 소정의 온도로 유지할 수 있기 때문에, 플라즈마의 형성의 매우 적합한 조건을 유지하는 것이 가능하다.
실시 형태 1 또는 실시 형태 2에 나타낸 플라즈마 처리 장치(1)의 유전체창(3)은, 판 형상 부재이며, 플라즈마 처리 용기의 천정 부분을 덮어, 처리 용기를 봉지할 수 있다. 또한, 유전체창(3)은 유전체 재료로 이루어져, 마이크로파를 전파하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 가스를 연통할 수 있는 통로를 구비하여, 처리 용기의 내부에 플라즈마 처리에 이용하는 가스를 방사하는 샤워 플레이트로서 기능해도 좋다.
실시 형태 3에 나타낸 플라즈마 처리 장치(51)의 하단 샤워 플레이트(10)는, 분위기를 차단하는 일 없이 공간을 구획지을 수 있으면, 개구부는 격자 형상에 한하지 않고, 원이나 마름모꼴 등이라도 좋다. 하단 샤워 플레이트(10)의 내부의, 피처리 대상물측의 면 내에 플라즈마 가스의 가스 통로를 구비하고, 가스 통로에 근접하면서 피처리 대상물의 외측의 면 내에, 온도 조절 기구인 작동액을 봉입한 세관을 구비하는 것이 바람직하다. 하단 샤워 플레이트(10)를 구비함으로써, 플라즈마 분위기를 피처리 대상물에 노출시킬 우려가 없어, 과잉의 해리(dissociate)를 억제하고 싶은 플라즈마 가스라도 효율 좋게 공급할 수 있고, 플라즈마측의 온도 분포를 균일하게 하여, 플라즈마 형성의 매우 적합한 조건을 유지할 수 있다. 실시 형태 3에 있어서는, 하단 샤워 플레이트(10)에만 온도 조절 기구를 구비하고 있지만, 실시 형태 1 또는 2로 나타낸 온도 조절 기구와 조합하여 구비해도 좋다.
또한, 실시 형태에서 설명한 플라즈마 처리 장치 및 온도 조절 기구는 일 예이며, 이들에 한정되는 것은 아니다. 온도 조절 기구(냉각 재킷, 보지 링, 샤워 플레이트 등)를 몇 개의 부분으로 분할하는 경우의 분할하는 수나 면적의 배분에 대해서나, 각각에 구비하는 히트 레인의 형상이나 배치의 방법 및 냉각 유로의 구비 방법 등, 임의로 설정할 수 있다. 냉각 유로를 중심으로 하여 그 좌우에, 대칭으로 히트 레인을 구비하고 있는 경우뿐만 아니라, 한쪽에만 히트 레인을 구비해도 좋고, 또한, 좌우 대칭이 아니라도 좋고, 히트 레인의 형상이나 왕복하는 길이가 동일하지 않아도 상관없다. 히트 레인 중에서 온도가 낮은 부분이 방열부로서, 방열부와 비교하여 온도가 높은 부분이 수열부로서 기능하기 때문에, 히트 레인에 구비하는 수열부와 방열부의 위치에 대해서도, 히트 레인에 구비하는 열교환기의 위치나, 설정하는 온도의 고저에 의해 임의로 설정할 수 있다.
또한, 실시 형태에서 설명한 온도 조절 기구를 조합하여 이용하거나, 유전체창이나 기판 보지대 등에 히트 레인을 이용한 온도 조절 기구를 구비해도 좋다. 또한, 전술한 히트 레인을 구비한 온도 조절 기구와는 별도로, 온도 조절을 할 수 있는 가열 냉각 장치를 구비해도 좋다. 가열 냉각 장치에 의해, 단시간에 소정의 온도로 조절을 할 수 있게 되고, 또한, 소정의 온도의 레인지(range) 폭을 넓게 할 수 있다. 별도 구비한 가열 냉각 장치와 히트 레인을 이용한 온도 조절 기구를 조합하여 사용함으로써, 단시간에 소정의 온도로 하고, 그리고 온도 분포를 균일하게 할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치의 구조, 플라즈마 처리 방법, 플라즈마 처리에 이용되는 가스, 처리를 행하는 기판, 온도 조절 냉각 수단 등에 대해서도, 임의로 선택하여 설정하는 것이 가능하다. 플라즈마 처리 장치에 한하지 않고, 반도체의 제조에 있어서의 다른 공정에서 사용하는 장치에 히트 레인을 이용한 온도 조절 기구를 구비해도 좋다. 온도 분포에 의해 문제가 발생하기 쉬운 공정을 포함하는 경우나, 보다 품질이 안정된 제품을 요구하고 있는 경우 등, 단시간에 온도 분포를 균일하게 하는 것이 요구되는 반도체의 제조에 있어서 특히 유용하다. 반도체 제조 장치의 예로서, 웨이퍼 상에 얇은 산화막을 형성할 때에 이용하는 열처리 성막 장치나, 감광제(포토레지스트)의 도포와 현상(developing)을 행하는 장치 등을 들 수 있다. 플라즈마 처리를 행하는 처리 유닛을 구비한 몇 개의 처리 유닛으로 이루어지는 반도체 제조 장치라도 상관없다. 반도체 제조 장치 이외의 예로서, FPD 제조 장치나 태양전지 제조 장치를 들 수 있다. 히트 레인을 이용한 온도 조절 기구를 이용하는 장치는 전술한 실시 형태의 예에 한하지 않고, 임의로 선택할 수 있어, 여러 가지 실시 형태가 가능하다.
본 출원은, 2008년 7월 4일에 출원된, 일본국특허출원 2008-175590호에 기초한다. 본 명세서 중에 일본국특허출원 2008-175590호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 전체를 참조로서 원용하는 것으로 한다.
1 : 플라즈마 처리 장치
2 : 처리 용기(챔버)
2a : 보지 링
3 : 유전체창
4 : 안테나
5 : 도파관
6 : 냉각 재킷
10 : 하단 샤워 플레이트
21, 62, 67, 105 : 히트 레인
22a, 22b, 63, 68, 100a : 수열부(증발부)
23, 64, 69, 100b : 방열부(응축부)
24, 61, 66, 106 : 냉각 유로
W : 피처리 기판

Claims (13)

  1. 처리 용기의 피처리 대상물을 수용하는 공간을 둘러싸는 부재에 접하는 온도 조절 기구로서,
    상기 피처리 대상물을 수용하는 공간의 외면의 방향을 따라서 배치되는 환상의(annular) 세관(細管)과,
    상기 환상의 세관에 봉입(封入)된, 기체와 액체와의 2상 응축성 작동 유체
    를 구비하고,
    상기 환상의 세관은,
    상기 2상 응축성 작동 유체가 액상으로부터 기상으로 상전이가 일어나는 복수의 수열부와, 기상으로부터 액상으로 상전이가 일어나는 복수의 방열부를 포함하고, 상기 복수의 수열부 및 상기 복수의 방열부에서 꺾임으로써 상기 복수의 수열부와 상기 복수의 방열부의 사이를 사행하며,
    상기 복수의 수열부와 상기 복수의 방열부의 어느 한쪽에 접하는 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기와 상기 피처리 대상물을 수용하는 공간과의 최소의 거리는, 적어도 상기 열교환기의 상기 최소의 거리의 범위에 있어서의, 상기 환상의 세관과 상기 피처리 대상물을 수용하는 공간과의 거리보다도 큰 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 피처리 대상물을 수용하는 공간을 둘러싸는 부재에 접하는 온도 조절 기구를 복수의 부분으로 분할한 당해 부분마다, 각각 독립된 상기 환상의 세관을 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도 조절 기구를 복수의 부분으로 분할한 당해 부분마다, 각각 독립적으로 설정된 온도로 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 온도 조절 기구를 복수의 부분으로 분할한 당해 부분마다, 상기 환상의 세관에 접하는 상기 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 부재는, 플라즈마를 상기 처리 용기에 봉지(封止)하고, 당해 플라즈마를 사이에 두고 상기 피처리 대상물과 대향하는 판 형상 부재인 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 판 형상 부재의, 상기 처리 용기의 외측을 향하는 면의 측에, 상기 환상의 세관을 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 환상의 세관을, 상기 판 형상 부재의 중심과 외주(外周)와의 사이를 꺾어 되돌아와 사행하도록 배치시키고,
    상기 판 형상 부재의 주연부(周緣部) 근방에 상기 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 환상의 세관을, 상기 판 형상 부재의 중심으로부터 외주로 향하는 선을 가로질러 꺾어 되돌아와 사행하도록 배치시키고,
    상기 판 형상 부재의 중심으로부터 외주로 향하는 방향을 따라서 상기 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 판 형상 부재의 주면(主面)의 연장 방향의 주위에, 상기 기체와 액체와의 2상 응축성 작동 유체를 봉입한 환상의 세관을 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 부재는, 당해 처리 용기의 피처리 대상물을 수용하는 공간에 있으며, 플라즈마 처리에 이용하는 가스를 당해 피처리 대상물을 향하여 도입하는 샤워 플레이트이며,
    당해 샤워 플레이트의 내부에 상기 환상의 세관과, 상기 플라즈마 처리에 이용하는 가스의 가스 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 온도 조절 기구.
  13. 제1항, 제3항 및 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 온도 조절 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
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