KR20120028331A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치 Download PDF

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Abstract

평면 안테나나 유전체창을 둘레 방향으로 균일하게 냉각할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 플라즈마 처리 장치의 처리 용기(100)의 측벽(140)의 유전체창(105)을 냉각하기 위한 냉매 유로(145)를 설치한다. 냉매 유로(145)에는 상변화(phase transition)시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려진다. 측벽(140)의 둘레 방향으로 연신(extending)되는 냉매 유로(145) 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아진다. 여기에서, 냉매 유로(145)의 단면적을 작게 하면, 냉매의 유속이 커져, 열전달률이 커진다. 냉매 유로(145)의 단면적을 상류로부터 하류를 향하여 점차 작게 하면, 냉매의 온도 상승에 수반하는 온도차의 저하분을 열전달률의 향상분에 의해 보충할 수 있어, 냉매 유로(145)의 길이 방향에 있어서의 열이동량을 거의 일정하게 할 수 있다. 이 때문에, 평면 안테나(905)나 유전체창(105)을 둘레 방향으로 균일하게 냉각하는 것이 가능해진다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치{PLASMA PROCESSING DEVICE AND COOLING DEVICE FOR PLASMA PROCESSING DEVICES}
본 발명은, 반도체 웨이퍼, 액정용 기판, 유기 EL 소자 등의 피(被)처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
최근, 생활의 곳곳에서 이용되는 반도체 디바이스에는, 고속 처리를 할 수 있을 것, 보다 저(低)소비 전력일 것 등이 요구되고 있다. 이 요구를 충족시키기 위해, 반도체 디바이스에는 고집적화 및 미세화가 필요시되고 있다. 반도체 디바이스의 고집적화 및 미세화에 따라, 반도체 디바이스의 제조 장치에는 반도체 기판상의 미세한 구조물을 저(低)대미지로 처리하는 것이 요구되고 있다.
저대미지로의 처리가 가능한 플라즈마 처리 장치로서, 저전자 온도 그리고 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있는 마이크로파 플라즈마 처리 장치가 주목받고 있다. 반도체 기판의 에칭이나 제막(製膜) 처리에 이용되는 마이크로파 플라즈마 처리 장치에는, 처리 용기 내에 마이크로파를 균일하게 도입하여, 균일하게 플라즈마를 생성할 수 있는 RLSA(Radial Line Slot Antenna) 방식의 평면 안테나가 일반적으로 이용된다. 이 RLSA 방식의 평면 안테나에 의하면, 마이크로파를 균일하게 처리 용기 내로 공급할 수 있기 때문에, 반도체 기판을 면내에서 균일하게 처리할 수 있다. 게다가, 안테나 바로 아래의 넓은 영역에 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한 저전자 온도의 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에, 반도체 기판의 대미지를 적게 할 수 있다.
RLSA의 평면 안테나는, 마이크로파를 전반(propagation)시키는 동축(同軸) 도파관에 접속된다. 동축 도파관으로부터 공급된 마이크로파는, 안테나 내의 디스크 형상의 유전체판 내부를 반경 방향으로 전반한다. 유전체판 내부에서 파장이 압축된 마이크로파는, 유전체판의 하부에 밀착하는 슬롯판의 슬롯을 통하여 처리 용기 내에 방사된다. 처리 용기 내의 마이크로파의 전계에 의해 처리 용기 내의 플라즈마 여기(excitation)용 가스가 플라즈마 상태로 여기된다.
이러한 평면 안테나는, 프로세스시에 주로 플라즈마에 의해 가열된다. 평면 안테나가 가열되면, 평면 안테나를 구성하는 각 부품의 열팽창률의 차(差)로부터 평면 안테나가 변형되어 버려, 마이크로파의 전반 특성이 변화해 버릴 우려가 있다. 마이크로파는, 알루미나 등으로 만들어진 유전체판 내를 반경 방향으로 전반하여, 정재파(standing wave)를 형성하고, 구리 등으로 만들어진 슬롯판의 슬롯을 통하여 처리 용기 내에 공급된다. 열팽창률이 높은 슬롯판에 형성되는 슬롯의 위치가 변위되면, 유전체판 내의 마이크로파가 흐트러져 버려, 처리 용기 내에 공급되는 마이크로파의 전반 상태가 변화해 버린다. 이렇게 되면, 처리 용기 내의 마이크로파에 의해 여기되는 플라즈마 상태도 변화한다. 특히 처리 장치가 대형화된 경우에는, 열팽창률의 차에 의한 변위량이 커진다.
플라즈마에 의해 가열되는 평면 안테나의 변형을 방지하기 위해, 특허문헌 1에는, 평면 안테나의 상부에 냉각 재킷을 설치하고, 냉각 재킷의 냉매 유로에 냉매를 흘리는 것에 의해 평면 안테나를 냉각하는 냉각 장치가 개시되어 있다.
일본공개특허공보 2007-335346호
그러나, 종래의 냉각 장치에 있어서는, 냉매 유로를 흐르는 냉매가 서서히 가열되기 때문에, 냉매 유로의 입구측과 출구측의 냉매 온도가 상이하여, 냉매 유로의 벽면으로부터 냉매로의 발열(拔熱)량(열이동량)이 불균일해 진다는 문제가 있다. 발열량(열이동량)은, 냉매 유로의 벽면과 냉매와의 온도차에 비례한다. 따라서, 입구측과 출구측에서 냉매 온도가 상이하면, 온도차도 상이하여, 발열량도 상이해져 버린다.
평면 안테나를 균일하게 냉각하기 위해, 종래의 냉각 장치에 있어서는, 한 개의 냉매 유로를 중간 지점에서 꺾어, 꺽인 냉매 유로를 서로 이웃하도록 배치하고 있었다. 이와 같이 냉매 유로를 배치함으로써, 냉매 유로 전반의 발열량과 냉매 유로 후반의 발열량을 평균화시킬 수 있다.
그러나, 냉매 유로를 꺾은 경우, 평면 안테나의 특정 부분을 균일하게 냉각할 수 있어도, 평면 안테나를 전체 둘레에 걸쳐서 균일하게 냉각하는 것이 곤란해진다. 또한, 냉매 유로를 꺾으면, 냉매 유로의 설치 면적도 커져, 처리 용기의 좁은 측벽 내에 냉매 유로를 설치하는 것도 곤란해진다.
200㎜ 기판에서 300㎜ 기판으로 대구경화되고 있는 반도체 기판을 처리하는 최근의 마이크로파 플라즈마 처리 장치에는, 평면 안테나의 마이크로파의 전반 상태를 종래보다도 가능한 한 변화시키지 않는 것이 요청되고 있다. 이 요청에 의해 냉각 장치에는, 평면 안테나를 보다 균일하게 냉각하는 것이 요망된다.
그래서 본 발명은, 평면 안테나나 유전체창을 둘레 방향으로 균일하게 냉각할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 형태는, 내부에서 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 밀폐 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 보유 지지하는 재치대(holding stage)와, 상기 처리 용기의 천정부에 배치되고, 상기 처리 용기의 내부를 밀폐하는 유전체창과, 상기 유전체창의 상부에 배치되고, 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 방사하는 마이크로파 안테나를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 처리 용기의 측벽에는, 상기 유전체창을 냉각하기 위한 냉매 유로가 설치되고, 상기 냉매 유로에는, 상변화(phase transition)시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지고, 상기 측벽의 둘레 방향으로 연신(extending)되는 상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명의 다른 실시 형태는, 내부에서 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 밀폐 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 보유 지지하는 재치대와, 상기 처리 용기의 천정부에 배치되고, 상기 처리 용기의 내부를 밀폐하는 유전체창과, 상기 유전체창의 상부에 배치되고, 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 방사하는 마이크로파 안테나와, 상기 마이크로파 안테나의 상부에 배치되고, 상기 마이크로파 안테나를 냉각하기 위한 냉매 유로를 갖는 냉각판을 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 냉각판에는, 상변화시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지고, 상기 냉각판에 둘러지는 상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는, 내부에서 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 밀폐 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 보유 지지하는 재치대와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키는 플라즈마 여기 수단과, 상기 플라즈마에 의해 가열된 부재를 냉각하기 위한 냉매 유로를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 냉매 유로에는, 상변화시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지고, 상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는, 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치에 장착되고, 플라즈마에 의해 가열된 부재를 냉각하기 위한 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치로서, 상변화시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지는 냉매 유로를 갖고, 상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치이다.
냉매 유로의 벽면으로부터 냉매에 전해지는 열이동량(Q)은, Q＝hA(Tw-T0)로 나타난다. h: 열전달률, A: 전열 면적, (Tw－T0): 벽면과 냉매의 온도차
냉매 유로의 단면적을 작게 하면, 냉매의 유속이 커져, 열전달률(h)이 커진다. 본 발명과 같이 냉매 유로의 단면적을 상류로부터 하류를 향하여 점차 작게 하면, 냉매의 온도 상승에 수반하는 온도차의 저하분을 열전달률(h)의 향상분에 의해 보충할 수 있어, 냉매 유로의 길이 방향에 있어서의 열이동량을 거의 일정하게 할 수 있다. 이 때문에, 평면 안테나나 유전체창을 둘레 방향으로 균일하게 냉각하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 플라즈마 처리 장치의 전체의 구성도이다.
도 2는 어퍼 플레이트(upper plate)에 형성되는 냉매 유로를 나타내는 도면(도면 중 (a)가 평면도이고, 도면 중 (b)가 단면도)이다.
도 3은 냉매 유로의 방위각과 홈 높이와의 관계를 나타내는 그래프(도면 중 (a)가 냉매 유로가 3회 권회되었을 때를 나타내고, 도면 중 (b)가 냉매 유로가 3회 권회되었을 때를 나타냄)이다.
도 4는 어퍼 플레이트에 형성되는 냉매 유로의 다른 예를 나타내는 도면(도면 중 (a)가 평면도이고, 도면 중 (b)가 단면도)이다.
도 5는 냉매 유로의 방위각과 홈 높이와의 관계를 나타내는 그래프(3차식)이다.
도 6은 냉각판에 형성되는 냉매 유로를 나타내는 도면(도면 중 (a)가 단면도이고, (b)가 평면도)이다.
도 7은 종래예와 본 발명예에서 발열선 밀도를 비교한 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 발열선 밀도 차이의 유량 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 냉매 유로의 높이를 경로 길이의 3차식으로 했을 때의, 방위각과 홈 높이와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 냉매 유로의 높이를 경로 길이의 3차식으로 했을 때의, 방위각과 단위 길이 발열률 분포와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 냉매 유로의 높이를 경로 길이의 3차식으로 했을 때의, 유량과 균일성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 어퍼 플레이트에 2경로의 냉매 유로를 설치한 예를 나타내는 도면(도면 중 (a)가 평면도, 도면 중 (b)가 단면도)이다.
도 13은 방위각과 제1 및 제2 냉매 유로의 홈 높이와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 냉매 유로의 홈 높이를 일정하게 했을 때의, 방위각과 단위 길이 발열률 분포와의 관계를 나타내는 그래프(비교예)이다.
도 15는 냉매 유로의 홈 높이를 변화시켰을 때의, 방위각과 단위 길이 발열률 분포와의 관계를 나타내는 그래프(본 발명예)이다.
도 16은 냉매 유로의 홈 높이를 변화시켰을 때의, 유량과 균일성과의 관계를 나타내는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 일 실시 형태를 설명한다. 도 1은, 플라즈마 처리 장치의 전체의 구성도를 나타낸다.
전체가 거의 원통 형상으로 형성되는 처리 용기(100)는, 알루미늄 또는 알루미늄을 함유하는 스텐인리스강으로 이루어진다. 처리 용기(100)의 내벽면에는, 산화 알루미늄(알루미나) 피막이나 이트리아(Y2O3) 피막으로 이루어지는 보호 피막이 형성되어 있다.
처리 용기(100)의 천정부에는, 처리 용기(100)의 내부를 밀봉함과 함께, 마이크로파를 투과시키는 유전체창(105)이 시일링(sealing; 110)을 통하여 올려진다. 유전체창(105)은, 석영이나 세라믹(알루미나나 질화 알루미늄 등)으로 이루어진다. 유전체창(105)은 처리 용기(100)의 측벽의 상부의 고정링(200)에 의해 처리 용기(100)에 고정된다.
처리 용기(100)의 측벽에는, 처리 공간(U)에 처리 가스를 도입하기 위한 가스 도입 수단(510)이 설치된다. 이 실시 형태에서는, 처리 공간(U)을 하단 샤워 (515)에 의해 2개의 영역으로 구획(define)하고, 상방에 위치하는 가스 도입 수단(510)으로부터는 아르곤 가스, 크립톤 가스 등의 플라즈마 여기용의 가스를, 하단 샤워(515)로부터는 프로세스 처리용의 가스를 도입하도록 하고 있다. 가스 도입 수단(510) 및 하단 샤워(515)는 가스 공급원(505)에 접속되어 있다. 또한, 하단 샤워(515)를 설치하지 않고, 가스 도입 수단(510)으로부터 플라즈마 여기용의 가스, 프로세스 처리용의 가스 및, 클리닝용의 가스를 임의로 도입할 수 있도록 해도 좋다. 하단 샤워(515)를 설치하지 않는 경우, 하단 샤워(515)에 의해 구획되는 처리 용기(100)의 측벽의 상부(이하 어퍼 플레이트(140)라고 함)는, 측벽에 일체로 형성된다. 또한, 가스 도입 수단(510)을 샤워 헤드 형상으로 구성하여, 처리 용기(100)의 천정부에 설치해도 좋다.
냉각 장치로서의 어퍼 플레이트(140)에는, 유전체창(105)을 냉각하기 위한 냉매 유로(145)가 설치된다. 냉매 유로(145)에는, 냉매로서 높은 전기 절연성과 열전도성을 갖는 불소계의 액체가 흘려진다. 냉매가 냉매 유로(145)를 흐르고 있는 동안, 냉매는 상변화되는 일이 없이, 액상인 채로 냉매 유로(145)를 흐른다. 어퍼 플레이트(140)에서 유전체창(105)을 냉각할 때, 어퍼 플레이트(140)의 온도를 90℃ 이하(목표는 70℃?80℃), 유전체창(105)의 온도를 150℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 냉매 유로(145)의 구조에 대해서는 후술한다.
하단 샤워(515)에 의해 구획되는 처리 용기(100)의 측벽의 하부에는, 피처리 기판을 반입 및 반출하기 위한 도시하지 않는 반출?반입구가 설치된다. 반출?반입구는 게이트 밸브에 의해 개폐된다.
처리 용기(100)의 저부(底部)에는, 내부를 진공 흡인하기 위한 배기 포트(135)가 형성된다. 배기 포트는 도시하지 않는 배기 장치에 접속되어 있다.
처리 용기(100) 내에는, 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 올려놓는 재치대(115)가 설치된다. 재치대(115)에는 웨이퍼(W)를 정전 흡착력을 이용하여 흡착할 수 있도록 바이어스를 인가할 수 있는 고주파 전원(125b)이 접속된다.
유전체창(105)의 상부에는, 처리 공간(U)에 마이크로파를 공급하여, 플라즈마를 여기시키는 마이크로파 안테나로서의 디스크 형상의 평면 안테나(905)가 배치된다. 평면 안테나(905)는, 직교하는 2종류의 슬롯을 갖는 슬롯판(905b)과, 마이크로파를 반사하는 도체면(210a)과 슬롯판(905b)과의 사이에 설치되는 유전체판 (905a)으로 이루어진다. 이러한 평면 안테나(905)는, RLSA(Radial Line Slot Antenna)라고 불린다. 평면 안테나(905)는, 안테나 고정부에 의해 처리 용기(100)에 고정된다. 마이크로파원(335)에 의해 생성된 마이크로파는, 직사각형 도파관(305)을 TE 모드로 전파(傳播)하고, 동축 변환기(310)를 거쳐 동축 도파관(340) 내를 TEM 모드로 전파한다. 동축 도파관(340)은 평면 안테나(905)의 중심에 접속되어 있다. 평면 안테나(905)의 중심으로부터 도입된 마이크로파는, 유전체판(905a) 내에서 파장이 압축되면서 반경 방향으로 전파되어, 슬롯판(905b)에 뚫린 슬롯으로부터 처리 공간(U) 내로 방출된다. 동축 도파관(340) 중 도체는, 냉매 공급원(405)으로부터 공급되는 냉매에 의해 냉각된다.
도체면(210a)의 상방에는, 평면 안테나(905)를 냉각하기 위한 냉각 장치로서의 냉각판(210)이 설치된다. 냉각판(210)은 도체면(210a)과 일체로 형성되어도 좋다. 도체면(210a)의 상방에는, 평면 안테나(905)를 냉각하기 위한 냉매 유로(915)가 형성된다. 냉매 유로(915)에는, 냉매로서 높은 전기 절연성과 열전도성을 갖는 불소계의 액체가 흘려진다. 냉매가 냉매 유로(915)를 흐르고 있는 동안, 냉매는 상변화하는 일이 없이, 액상인 채로 냉매 유로(915)를 흐른다. 냉각판(210)에서 평면 안테나(905)를 냉각할 때, 냉각판(210)의 온도를 110℃?120℃, 평면 안테나(905)의 온도를 150℃?160℃로 하는 것이 바람직하다. 냉각판(210)의 냉매 유로(915)의 구성에 대해서는 후술한다.
도 2는 어퍼 플레이트(140)를 나타낸다. 어퍼 플레이트(140)는 환상(annular shape)으로 형성되고, 그 내주(內周)측의 상부에는 유전체창(105)이 올려지는 수용부(160)가 형성된다. 어퍼 플레이트(140)의 내부에는, 둘레 방향으로 연신되는 냉매 유로(145)가 형성된다. 냉매 유로(145)는, 1회 권회 이상의 권수(卷數)를 갖는 나선 형상으로 형성된다. 냉매 유로(145)는 전체로 하나의 입구와 출구를 갖는다. 어퍼 플레이트(140)를 평면도로 보았을 때의 입구의 방위각과 출구의 방위각은 거의 일치한다. 도 2(a)와 같이 XY 좌표를 취할 때, 입구의 방위각은 0도로 나타나고, 출구의 방위각은 360도로 나타난다. 냉매 유로(145)의 단면 형상은 직사각형으로 형성된다. 냉매 유로(145)의 경로 길이에 관계없이 냉매 유로(145)의 폭은 변화하는 일은 없다. 그 한편, 냉매 유로(145)의 높이는 상류로부터 하류로 향하여 점차 감소한다. 또한, 냉매 유로(145)의 입구로부터의 길이는 경로 길이 s로 나타나고, 그때의 방위각은 θ로 나타난다.
도 3(a)는, 냉매 유로(145)가 3회 권회되었을 때의 높이 변화의 일 예를 나타낸다. 이 예에서는, 냉매 유로(145)의 높이(홈 높이)가 입구로부터 출구를 향하여 선형으로 감소한다. 냉매 유로(145)의 폭은 변화하는 일 없이 일정하다. 이 때문에, 냉매 유로(145)의 단면적은 입구로부터 출구를 향하여 점차 감소한다.
도 3(b)는, 냉매 유로(145)가 3회 권회된 나선 형상일 때의 높이 변화의 일 예를 나타낸다. 이 예에서는, 각 1회 권회된 냉매 유로(145)의 높이가 방위각 0도로부터 대략 360도를 향하여 점차 감소한다. 그리고, 1회 권회된 냉매 유로(145)와 다른 1회 권회된 냉매 유로(145)의 접속 부분(예를 들면 1회 권회째의 냉매 유로(145)와 2회 권회째의 냉매 유로(145)와의 접속 부분)에 있어서, 냉매 유로(145)의 높이가 원래의 높이까지 높아진다. 즉, 상단에 위치하는 1회 권회째의 냉매 유로(145)의 높이, 중단에 위치하는 2회 권회째의 냉매 유로(145)의 높이 및, 하단에 위치하는 3회 권회째의 냉매 유로(145)의 높이는, 방위각이 동일하면 동일한 높이가 된다.
냉매 유로(145)는, 나선 형상으로 형성되는 대신에 원환 형상의 1회 권회된 냉매 유로(145)를 상하 방향으로 복수 배열함으로써 형성되어도 좋다. 이 경우, 각 1회 권회된 냉매 유로(145)의 입구 및 출구가 설치된다. 각 1회 권회된 냉매 유로(145)는, 입구로부터 출구를 향하여 폭은 일정한 채로 높이가 점차 감소한다. 상단에 위치하는 1회 권회째의 냉매 유로(145)의 높이, 중단에 위치하는 2회 권회째의 냉매 유로(145)의 높이 및, 하단에 위치하는 3회 권회째의 냉매 유로(145)의 높이는, 방위각이 동일하면 동일한 높이가 된다.
실제로 냉매 유로(145)를 형성하는 경우, 어퍼 플레이트(140)는 냉매 유로(145)의 권수에 따라서 상하 방향으로 복수로 분할된다. 분할된 어퍼 플레이트(140) 각각에 냉매 유로(145)를 구성하는 홈이 형성된다. 냉매 유로(145)의 홈은 엔드 밀(end mill) 등의 공구를 사용한 NC 선반에 의해 가공된다. 공구로 냉매 유로(145)의 홈을 절삭 가공하는 경우, 수치 제어로 공구의 절입 깊이를 제어하는 것만으로 좋기 때문에, 홈의 폭을 변화시키는 것보다도 홈의 깊이(높이)를 변화시키는 편이 용이하다. 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로(145)의 높이는 경로 길이에 대하여 선형이며, 경로 길이를 s, 냉매 유로(145)의 높이를 d로 하면, d＝a?s(a: 정수)로 나타난다. 공구의 절입 깊이로서 NC 선반에 1차식을 입력하면, 냉매 유로(145)의 높이를 선형으로 변화시킬 수 있다.
도 4는, 어퍼 플레이트(140)에 형성되는 냉매 유로(145)의 다른 예를 나타낸다. 이 예에서는, 어퍼 플레이트(140)에 1회 권회된 환상의 냉매 유로(145)가 형성되어 있다. 냉매 유로(145)의 입구는 방위각 0도로 배치되고, 냉매 유로(145)의 출구는 방위각 360도로 배치된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로(145)의 높이는, 입구에서 출구까지 점차 낮아지는, 경로 길이(s)의 3차의 수식으로 나타난다. 냉매 유로(145)의 폭은 일정하다. 이와 같이 냉매 유로(145)의 높이(d)는 입구에서 출구까지 점차 낮아지면 좋고, 경로 길이(s)의 2차나 3차의 수식으로 나타나도 좋다.
도 6은, 냉각판(210)에 형성되는 냉매 유로(915)를 나타낸다. 원반(disc) 형상의 냉각판(210)에는, 소용돌이 형상의 냉매 유로(915)가 형성된다. 소용돌이 형상의 냉매 유로(915)는 1회 권회 이상 형성되면 좋다. 냉매 유로(915)의 입구 및 출구의 방위각은 일치한다. 소용돌이 형상의 냉매 유로(915)의 외주(外周)측에 입구가, 내주측에 출구가 형성되어도 좋고, 냉매 유로(915)의 내주측에 입구가, 외주 측에 출구가 형성되어도 좋다. 냉매 유로(915)의 단면 형상은 직사각형으로 형성된다. 냉매 유로(915)의 높이는, 입구로부터 출구를 향하여 점차 낮아진다. 그 한편, 냉매 유로(915)의 폭은 변화하는 일은 없다. 냉매 유로(915)의 높이는, 경로 길이(s)의 n차의 수식으로 나타난다. 또한, 소용돌이 형상의 냉매 유로(915)의 1회 권회에 있어서 상류로부터 하류를 향하여 점차 높이가 낮아지도록 하고, 1회 권회와 다른 1회 권회된 냉매 유로(915)의 이음매에 있어서 높이가 원래의 높이로 되돌아오도록 해도 좋다.
냉매 유로(145, 915)의 단면적을 상류로부터 하류를 향하여 점차 감소시킴으로써, 냉매 유로(145, 915)를 따라서 발열량(열이동량)을 일정하게 할 수 있다. 「냉매 유로의 단면적을 점차 감소시키는」일과 「발열량(열이동량)을 일정하게 할 수 있는」일의 인과 관계는 이하와 같다.
냉매 유로의 벽면으로부터 냉매에 전해지는 발열량(열이동량)(Q)은, 이하의 식으로 나타난다.
(수식 1)
Q＝hA(Tw－T0)
단, Q: 발열량, W
h: 열전달률, W/㎡K
A: 전열 면적, ㎡
Tw: 벽면 표면의 온도, K
T0: 냉매의 온도, K
냉매의 온도는 열교환에 의해 상류로부터 하류를 향하여 서서히 상승해가기 때문에, 냉매 유로를 따라서 발열량 및 벽면 온도를 일정하게 하기 위해서는, 상류로부터 하류를 향하여 열전달률을 상승시키지 않으면 안 된다. 열전달률(h)은, 이하의 수식 2로 나타난다.
(수식 2)
h＝Nuk/L
단, Nu: 누셀트 수(Nusselt number)
k: 유체의 열전도율, W/㎡K
L: 유로의 길이
유체의 열전도율(k) 및 유로의 길이(L)는 일정하기 때문에, h를 증가시키기 위해서는, 누셀트 수(Nu)를 증가시킬 필요가 있다.
누셀트 수(Nu)는 이하의 수식 3으로 나타난다.
(수식 3)
Nu＝0.664Re1 /2Pr1 /3
Re＝UL/ν
Pr: 프란틀 수(Prandtl number)
U: 유속, m/s
ν: 동점성 계수(kinematic Viscosity), ㎡/s
동점성 계수(ν)는 일정하기 때문에, 유속(U)을 증가시킴으로써, 누셀트 수(Nu)를 증가시킬 수 있다. 냉매 유로의 단면적을 상류로부터 하류를 향하여 점차 감소시키면, 유속이 점차 증가한다. 이 때문에, 수식 3에서 누셀트 수(Nu)가 증가하고, 수식 2에서 열전달률(h)이 증가한다. 냉매 유로의 단면적을 상류로부터 하류를 향하여 점차 감소시키면, 수식 1의 전열 면적(A)도 감소하지만, 전열 면적(A)의 감소율보다도 열전달률(h)의 증가율 쪽을 크게 할 수 있다. 이 결과, 수식 1의 발열량(Q)을 일정하게 유지하는 것이 가능해진다.
도 7은, 단위 길이당의 발열량(발열선 밀도)을 종래예와 본 발명예에서 비교한 계산 결과를 나타낸다. 종래예 및 본 발명예 모두, 냉매 유로의 폭: 8㎜, 냉매 유로의 입구측 높이: 9㎜, 어퍼 플레이트의 온도－냉매 온도＝20℃, 발열량 2㎾의 계산 조건으로 비교했다.
표 1은, 계산 결과의 주요 제원(諸元)을 정리한 것이다.
Figure pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 종래예와 같이 냉매 유로의 단면적을 일정하게 하면, 냉매 유로의 입구와 출구에서 발열선 밀도가 4할 가까이 상이했다. 이에 대하여, 냉매 유로의 높이를 감소시킴으로써, 발열선 밀도의 차이를 4.6％(1차식), 0.7％(2차식), 0.1％(3차식)로 저감할 수 있었다.
다음으로, 발열선 밀도의 차이가 유량의 변화에 의해 어떻게 영향을 받는지(발열선 밀도 차이의 유량 의존성)를 계산했다. 발열선 밀도의 차이가 가장 적었던 3차식의 계산 조건을 사용했다. 즉, 냉매 유로의 폭: 8㎜, 냉매 유로의 입구측 높이: 9㎜(하류를 향하여 3차식으로 높이 감소), 어퍼 플레이트의 온도－냉매 온도＝20℃, 발열량 2㎾의 조건으로 계산했다. 도 8에 계산 결과를 나타내고, 표 2에 계산 결과의 주요 제원을 기재한다.
Figure pct00002
온도 분포는 냉매 유량에 의해 변동되지만, 발열선 밀도의 차이는 범위 내에서 2％ 정도에 머물러, 발열선 밀도의 차이는 냉매 유량에 거의 의존하지 않는 것을 알 수 있었다.
표 3은, 발열선 밀도의 차이가 냉매 유로의 구조에 의해 어떻게 영향을 받는지(발열선 밀도의 차이의 냉매 유로 구조 의존성)를 계산한 결과를 나타낸다.
Figure pct00003
종래예와 같이 냉매 유로를 꺾듯이 2회 권회하여 형성해도, 1회 권회한 경우보다도 발열선 밀도의 차이를 36.2％에서 7.4％, 24.4％로 저감할 수 있다. 그러나, 냉매 유로를 꺾는 것은 스페이스를 필요로 하여, 발열선 밀도의 차이를 저감하는데 한계도 있다. 본 발명예(경사형)와 같이, 냉매 유로를 꺾지 않아도 높이를 변화시킴으로써, 2％ 미만으로 저감할 수 있다.
도 9 내지 도 11은, 냉매 유로의 높이를 경로 길이의 3차식으로 했을 때의 최적화를 시험한 결과를 나타낸다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 냉매 유로의 높이는 입구가 12㎜이고, 출구를 향하여 3차식으로 감소한다. 홈 폭은 8㎜이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 냉매의 유량 10.1L/min, 발열량 2㎾로 했을 때, 발열선 밀도의 차이(발열 균일성)를 ±0.06％ 이하로 할 수 있었다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 냉매의 유량이 2L/min 이하일 때는 발열 균일성이 약간 떨어지지만, 5L/min 이상으로 함으로써, 발열 균일성을 매우 작게 할 수 있었다.
도 12는, 어퍼 플레이트(140)에 제1 및 제2 냉매 유로(145a, 145b)로 이루어지는 2경로의 냉매 유로(145)를 설치한 예를 나타낸다. 제1 및 제2 냉매 유로(145a, 145b)는 어퍼 플레이트(140)의 상하 방향으로 배열된다. 각 냉매 유로(145a, 145b)의 입구 및 출구는, 방위각 0도 및 360도로 배치된다. 도 13은, 방위각과 제1 및 제2 냉매 유로(145a, 145b)의 높이와의 관계를 나타낸다. 제1 및 제2 냉매 유로(145a, 145b)의 높이는 모두, 방위각이 180도까지는 서서히 감소하고, 방위각이 180도에서 360도까지는 서서히 증가하도록 설정된다. 제1 및 제2 냉매 유로(145a, 145b)의 높이를 이와 같이 설정한 이유는 이하와 같다. 비교예의 도 14에 나타내는 바와 같이, 홈 깊이가 일정한 경우에는, 방위각 180도인 곳이 가장 발열량이 낮아져, 180도를 기준으로 거의 좌우 대칭이 되어 있다. 방위각 180도인 곳의 발열률을 개선하기 위해, 홈 깊이를 얕게 하여 유속을 높이는 것이다. 또한, 대략 좌우 대칭의 홈 깊이 분포로 충분한 균열성이 얻어진다.
도 14는, 냉매 유로(145a, 145b)의 높이를 일정하게 했을 때의 비교예를 나타낸다. 냉매 유로의 높이 9㎜, 냉매 유로의 폭 6㎜, 냉매의 유량 9L/min, 발열량 2㎾로 했을 때, 발열 균일성은 ±1.3％였다. 이에 대하여, 냉매 유로(145a, 145b)의 높이를 조정함으로써, 도 15 및 도 16에 나타내는 바와 같이, 냉매의 유량이 2L/min 이상일 때, 발열 균일성을 ±0.1％ 이하로 할 수 있고, 냉매의 유량이 1L/min 이하일 때, 발열 균일성을 ±0.6％ 이하로 할 수 있었다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 일 없이, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 냉매 유로를 하단 샤워에 형성하고, 냉매 유로에 아르곤 가스 등의 기체를 흘려, 하단 샤워를 냉각해도 좋다.
유전체판의 상면 및 하면에 도금 등에 의해 도전막을 일체로 형성하여, 상면측의 도전막을 마이크로파를 반사하는 도체판으로서 사용하고, 하면측의 도전막을 마이크로파를 투과시키는 슬롯판으로서 사용해도 좋다.
본 명세서는, 2009년 6월 19일 출원된 일본특허출원 2009-146838에 기초한다. 이 내용은 모두 여기에 포함시켜 둔다.
100 : 처리 용기
105 : 유전체창
115 : 재치대
140 : 어퍼 플레이트(처리 용기의 측벽, 냉각 장치)
145 : 냉매 유로
145a : 제1 냉매 유로
145b : 제2 냉매 유로
210 : 냉각판(냉각 장치)
905 : 평면 안테나(마이크로파 안테나, 플라즈마 여기 수단)
910 : 상부 커버
915 : 냉매 유로
U : 처리 공간
W : 웨이퍼(피처리 기판)

Claims (12)

  1. 내부에서 피(被)처리체에 플라즈마 처리를 행하는 밀폐 가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 보유 지지하는 재치대(holding stage)와,
    상기 처리 용기의 천정부에 배치되고, 상기 처리 용기의 내부를 밀폐하는 유전체창과,
    상기 유전체창의 상부에 배치되고, 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 방사하는 마이크로파 안테나를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 처리 용기의 측벽에는, 상기 유전체창을 냉각하기 위한 냉매 유로가 설치되고,
    상기 냉매 유로에는, 상변화(phase transition)시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지고,
    상기 측벽의 둘레 방향으로 연신(extending)되는 상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치.
  2. 내부에서 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 밀폐 가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 보유 지지하는 재치대와,
    상기 처리 용기의 천정부에 배치되고, 상기 처리 용기의 내부를 밀폐하는 유전체창과,
    상기 유전체창의 상부에 배치되고, 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 방사하는 마이크로파 안테나와,
    상기 마이크로파 안테나의 상부에 배치되고, 상기 마이크로파 안테나를 냉각하기 위한 냉매 유로를 갖는 냉각판을 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 냉각판에는, 상변화시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지고,
    상기 냉각판에 둘러지는 상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉매 유로의 단면 형상이 직사각형이고,
    상기 냉매 유로의 상류로부터 하류를 향하여 상기 냉매 유로의 폭이 일정한 채로 높이가 점차 낮아지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉매 유로의 높이가, 상기 냉매 유로의 경로 길이의 n차의 수식으로 나타나는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치. 단, n은 자연수.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 냉매 유로는, 상기 처리 용기의 측벽에 1회 권회 이상의 권수(卷數)를 갖는 나선 형상으로 형성되고,
    적어도 1회 권회된 냉매 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 냉매 유로의 높이가 점차 낮아지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉매 유로는, 상기 처리 용기의 측벽에 2회 권회 이상의 권수를 갖는 나선 형상으로 형성되고,
    1회 권회된 냉매 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 냉매 유로의 높이가 점차 낮아짐과 함께,
    1회 권회된 냉매 유로와 다른 1회 권회된 냉매 유로의 접속 부분에 있어서, 냉매 유로의 높이가 원래의 높이로 되돌아오는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 냉매 유로는, 상기 처리 용기의 측벽에 환상으로 형성되는 1회 권회된 환상의 냉매 유로를 상하 방향으로 복수 배열하여 이루어지고,
    상기 1회 권회된 환상의 냉매 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 냉매 유로의 높이가 점차 낮아지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 냉매 유로는, 상기 처리 용기의 상기 측벽의 둘레 방향으로 연신되는 제1 및 제2 냉매 유로를 갖고,
    상기 제1 및 상기 제2 냉매 유로를 흐르는 냉매의 흐름 방향은 서로 대향하고,
    상기 제1 냉매 유로는, 상류로부터 하류를 향하여 냉매 유로의 높이가 점차 낮아지고, 그 후 냉매 유로의 높이가 높아지며,
    상기 제2 냉매 유로는, 상류로부터 하류를 향하여 냉매 유로의 높이가 점차 낮아지고, 그 후 냉매 유로의 높이가 높아지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 냉매 유로는, 상기 냉각판에 1회 권회 이상의 권수를 갖는 소용돌이 형상으로 형성되고,
    적어도 1회 권회된 냉매 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 냉매 유로의 높이가 점차 낮아지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 불소계의 액체인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 내부에서 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 밀폐 가능한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고, 피처리체를 보유 지지하는 재치대와,
    상기 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시키는 플라즈마 여기 수단과,
    상기 플라즈마에 의해 가열된 부재를 냉각하기 위한 냉매 유로를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 냉매 유로에는, 상변화시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지고,
    상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치.
  12. 피처리체에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치에 장착되고, 플라즈마에 의해 가열된 부재를 냉각하기 위한 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치로서,
    상변화시키는 일 없이 액상 또는 기상의 냉매가 흘려지는 냉매 유로를 갖고,
    상기 냉매 유로 중 적어도 일부는, 상류로부터 하류를 향하여 점차 단면적이 작아지는 플라즈마 처리 장치용 냉각 장치.
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