TW201448103A - 電漿處理裝置及電漿處理方法 - Google Patents

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Abstract

〔課題〕提供一種電漿處理裝置或電漿處理方法，可實現高的溫度響應性與廣的溫度之可設定範圍。〔解決手段〕一種電漿處理裝置，具備：配置於真空容器內之處理室並配置樣品之樣品台、配置於此樣品台之內部且冷媒在其內側流通而作用為蒸發器之冷媒流路、壓縮機、凝結器依此順序連結而構成且冷媒依該順序流通之冷凍循環、在此冷凍循環上之前述凝結器與前述冷媒流路之間以及前述冷媒流路與前述壓縮機之間所配置的第一、第二膨脹閥、及在前述冷凍循環上之此第二膨脹閥與前述壓縮機之間所配置且將前述冷媒加熱而氣化之氣化器，進行前述第一及第二膨脹閥之開閉的調節、及基於前述凝結器與前述第二膨脹閥之間的冷媒之溫度的在前述凝結器或前述氣化器之冷媒的熱交換量之調節。

Description

電漿處理裝置及電漿處理方法
本發明有關於在半導體製程中對於晶圓等之樣品實施微細加工之電漿處理裝置，尤其，有關於將半導體晶圓保持固定之樣品台的溫度控制裝置。
隨著半導體裝置之微細化趨勢，樣品之蝕刻處理所要求之加工精度處於逐年變嚴之狀態。若要以電漿處理裝置對於晶圓表面之微細圖案實施高精度之加工，則蝕刻時之晶圓表面的溫度管理變為重要的。近年來由於進一步之形狀精度提高的要求，要求在程序中對於晶圓的溫度依蝕刻步驟而高速且均勻地進行控制之溫度控制技術。
若要在電漿處理裝置內控制晶圓的表面溫度，則對於與晶圓之背面隔著傳熱介質而接觸之樣品台的表面溫度進行控制即可。在歷來之樣品台中係在內部形成冷媒流路，藉使液體冷媒流於流路內而控制樣品台表面之溫度。
此液體冷媒係在藉冷媒供給裝置內之冷卻裝置或加熱裝置而調節成目標溫度後，供給至樣品台流路 內。在這樣的冷媒供給裝置中係使液體冷媒一度滯留於槽而在溫度調節後送出之構造，另外由於液體冷媒本身之熱容量為大的，故在將晶圓的表面溫度保持為固定時為有效的。
然而，溫度響應差，高速溫度控制為困難的，另外熱交換效率為低的。為此，依蝕刻之進展而對於晶圓表面的溫度最佳地進行控制為困難的。
為此，歷來已提出一種所謂使冷媒在流路內膨脹之直接膨脹式(以下，稱作直接膨脹式)的冷卻裝置，將冷媒循環系統對於冷媒進行高壓化之壓縮機、將高壓化之冷媒凝結之凝結器、將使冷媒膨脹之膨脹閥設置於樣品台，並在樣品台之冷媒流路內使冷媒蒸發而進行冷卻。在直接膨脹式之技術中由於利用冷媒的蒸發潛熱故具有冷卻效率高、另外冷媒之蒸發溫度可藉壓力而高速地控制之優點。
例如，在專利文獻1方面，已揭露一種技術，使樣品台作用為冷凍循環之蒸發器，具備壓縮機、凝結器、膨脹閥而構成直接膨脹式系統。在此現有技術中亦揭露一種方法，藉對於從樣品台所排出之冷媒的乾燥度進行控制，以防止在冷媒流路內之冷媒的乾化(液膜之消失)，對於樣品台面內均勻地進行溫度調節。
此外，在專利文獻2方面，揭露一種技術，是為使用了直接膨脹式之冷卻裝置的空調裝置，藉檢知控制對象之溫度並對於凝結器之熱交換量進行控制以獲得期 望的溫度。亦即，此現有技術，係揭露一種方法，對於室溫測定值與室溫設定值進行比較，室溫測定值高於室溫設定值之情況下係使室外扇之轉數上升而增加在室外熱交換器之熱交換量，將室溫保持於設定溫度。
如前所述，在直接膨脹式的冷卻裝置、冷凍裝置中之冷卻原理係利用冷媒從液體蒸發為氣體時之潛熱者，可藉調節循環內之膨脹閥開度而調節冷媒之壓力，以調節蒸發溫度。此外，從冷卻對象物吸收熱之冷媒係焓(冷媒每1kg之熱量)會上升，經壓縮器之絕熱壓縮而在凝結器排熱。
此情況下，在樣品台位置之冷媒溫度依凝結器之排熱量而變化。亦即，對於在凝結器之排熱能力適宜進行控制在樣品台之溫度控制方面亦變為重要的。另一方面，在專利文獻2方面，教示：在直接膨脹式之冷卻裝置中蒸發器內之冷媒溫度控制不僅藉膨脹閥開度，藉凝結器之熱交換量亦可控制。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
〔專利文獻1〕日本發明專利公開2009-272535號公報
〔專利文獻2〕日本發明專利公開平3-31640號公報
在近年來之電漿處理裝置用的溫度控制機構中，係要求在程序中依各蝕刻步驟而將晶圓的溫度更高精度地調節成最適合之值，同時要求溫度之響應性的高速化與溫度值之可設定的範圍之擴大。相對於此，在上述現有技術中係在以下幾點方面，由於考慮為不充分的因而出現問題。
亦即，專利文獻1揭露之技術，係藉進行膨脹閥之開度控制而可實現高的溫度響應性。然而，在此現有技術中由於在凝結器之熱交換量係固定的，故成為可設定溫度之範圍為相對狹窄者。
此外，在不對於凝結器之熱交換量進行控制的情況下，並未考量到有關於出現如下的問題之點。亦即，在凝結器之排熱量係依流入凝結器之熱交換媒體的流量和溫度而變化者。另一方面，作為設置了適用上述的現有技術之裝置的對象之典型示例的半導體裝置之製造工廠的情況下，在熱交換媒體方面使用該工廠所提供之水為一般的。
在這樣的半導體裝置之製造工廠中，係水的溫度依其場所和周圍的環境、或使用者而成為不同者，故存在上述裝置所發揮之溫度的控制之性能與提供此裝置之設計者所估計之所望者不同而受損的問題。例如，即便使膨脹閥之開度為固定，在使在凝結器之排熱量降低之情況下冷媒之焓會上升，冷媒之蒸發溫度會上升，藉膨脹閥之 可變溫度範圍係產生變化。
在這樣的條件下，關於在作為符合當初所要求之規格者而設計之裝置所設置的地方無法符合規格而實現必要的溫度範圍之問題，在上述現有技術中並未考量。
此外，使用在揭露於專利文獻2之凝結器的熱交換量之控制的技術，使用藉膨脹閥之壓力控制與藉凝結器之熱交換量的控制，可加寬溫度之設定範圍。然而，在凝結器之熱交換量的控制，係在熱交換媒體之流量和溫度之控制方面需要時間，另外凝結器自身之熱容量亦成為阻礙，故高速地進行控制為難的。
亦即，在對於樣品台之溫度藉膨脹閥開度與凝結器熱交換量兩方而進行控制之情況下存在無法獲得高的溫度響應性之問題。再者，相對於樣品台之溫度這一個控制變數，存在對於膨脹閥之開度與在凝結器之熱交換量這2個控制的對象之對於各者的控制互相干涉而是為目標的樣品台之溫度變不穩定之虞。
本發明之目的，係提供一種電漿處理裝置或電漿處理方法，可實現高的溫度響應性與廣的溫度之可設定範圍。
上述目的，係藉一種電漿處理裝置或電漿處理方法而達成，具備：配置於真空容器內並形成電漿之處理室、配置於此處理室內並於其上表面配置了是為使用了 前述電漿之處理的對象的樣品之樣品台、配置於此樣品台之內部且冷媒在其內側流通而作用為蒸發器之冷媒流路、壓縮機、凝結器依此順序連結而構成且冷媒依該順序流通之冷凍循環、在此冷凍循環上之前述凝結器與前述冷媒流路之間以及前述冷媒流路與前述壓縮機之間所配置的第一、第二膨脹閥、及在前述冷凍循環上之此第二膨脹閥與前述壓縮機之間所配置且將前述冷媒加熱而氣化之氣化器，進行前述第一及第二膨脹閥之開閉的調節、及基於前述凝結器與前述第二膨脹閥之間的冷媒之溫度的在前述凝結器或前述氣化器之冷媒的熱交換量之調節。
1‧‧‧處理室壁
2‧‧‧處理室蓋
3‧‧‧處理室
4‧‧‧樣品台
5‧‧‧樣品
6‧‧‧氣體導入管
7‧‧‧處理氣體
8‧‧‧排氣口
9‧‧‧壓力調節閥
10‧‧‧微波
11‧‧‧電漿
12‧‧‧渦輪分子泵浦
14‧‧‧微波振盪機
16‧‧‧導波管
18‧‧‧螺線管線圈
20‧‧‧冷媒流路
21‧‧‧壓縮機
22‧‧‧凝結器
23‧‧‧熱交換媒體
24-1‧‧‧第一膨脹閥
24-2‧‧‧第二膨脹閥
25‧‧‧冷媒溫度計
26‧‧‧冷煤氣化器
27‧‧‧負載側溫度計
28‧‧‧凝結器流量閥
29‧‧‧氣化器流量閥
101‧‧‧溫度控制基板
〔圖1〕示意性地繪示本發明之實施例相關的電漿處理裝置之構成的概略之縱剖面圖。
〔圖2〕繪示相對於在示於圖1的實施例中之凝結器的熱交換量之變化的樣品台之溫度的變化之圖表。
〔圖3〕繪示相對於在示於圖1的實施例中之凝結器的在出口側之溫度的變化之樣品台的溫度變化之圖表。
〔圖4〕將示於圖1之實施例的變化例相關之電漿處理裝置的樣品台及冷凍循環的構成示意性地放大而繪示之縱剖面圖。
〔圖5〕繪示相對於在示於圖1的實施例中之氣化器的熱交換量之變化的樣品台之溫度的變化之圖表。
以下，以下使用圖式說明本發明之實施形態。
〔實施例1〕
以下，使用圖1~圖3說明有關於本發明之第1實施例。圖1，係示意性地繪示本發明之實施例相關的電漿處理裝置之構成的概略之縱剖面圖。尤其，本實施例，係例示一種ECR電漿蝕刻器裝置，將微波之電場與既定之強度之磁場供給於配置在真空容器內部之處理室內而激發導入於該處理室內之處理用氣體而形成電漿，對於處理室內之載置在配置於電漿所形成的區域下方之樣品台的上表面而保持之半導體晶圓等基板狀的樣品上表面之對象膜進行蝕刻處理。
在本圖中，電漿處理裝置100係具有：包含在其內部具有處理室3之真空容器與配置在真空容器內部之樣品台的真空容器部、配置於其上方及周圍並將上述電場或磁場供給於處理室3之電漿形成部、配置在真空容器下方並透過處理室3內部與開口而連通並將該內部排氣而作減壓之抽真空部。此外，真空容器之外側壁，係與樣品在被減壓至與處理室3同等或略高之值的壓力為止的內部之室內被載置於機械臂等而搬送之搬送容器可裝卸地連結，該搬送容器係未圖示之真空容器，處理室3內部與搬 送容器內部之搬送室係構成為：可透過配置在真空容器側壁之是為開口的閘而連通。
真空容器，係具有構成橫截面具有圓形之圓筒形的處理室3的圓筒部之容器，內側壁面為圓筒形之處理室壁1係在其上端的上方載置有是為石英製之圓板的構成真空容器之處理室蓋2。由於此處理室蓋2與處理室壁1之剖面環狀的上端之間夾著不圖示之密封構材而按壓，處理室3內部與其外側的大氣氣氛之間被氣密地密封，處理室3內部被區劃為可減壓至既定之壓力為止。
在處理室3之內部的電漿所形成之空間的下方係配置有樣品台4，基板狀之樣品5(在本實施例中，係半導體晶圓)在其上表面藉上述機械臂等搬送用之裝置而被搬送而載置。在真空容器之上部係連結著氣體導入管6，其內部係與是為處理室3之上部的電漿形成用之空間連通，流通於與不圖示之氣源所連結之氣體導入管6內部的供以進行電漿蝕刻處理之處理氣體7通過面對是為處理室3之上部的電漿形成用之空間的氣導入孔而被導入處理室3。
在樣品台4之下方的處理室3的下部係配置了是為處理室3內部之氣體和粒子被排出之開口的排氣口8。排氣口8，係圖上雖配置於包圍處理室3之真空容器的底部，但亦可配置於：將樣品台4在處理室3內部保持於上下方向之中央部而於該樣品台5之正下方配置排氣口8，圓筒形之真空容器或處理室3、圓筒形之樣品台4、圓 形之排氣口8之各者的上下方向之中心軸一致或視為一致之程度的接近之位置。
排氣口8，係連結於配置在真空容器之外側下方的壓力調節閥9及是為真空泵浦的一種之渦輪分子泵浦12，導入處理室3之處理氣體7、和藉蝕刻而產生之反應生成物藉此等之動作而通過排氣口8而排出至處理室3外。本實施例之壓力調節閥9具有使是為連結排氣口8至渦輪分子泵浦12的導管之排氣路徑的流路剖面積增減的功能，透過藉此開度的調節之來自排氣口8的排氣之流量速度與從氣體導入管6所導入處理室3的處理氣體7之流量速度的平衡，處理室3內部之壓力被調節為適於晶圓5之處理或搬送的壓力(在本實施例係0.1~10Pa之範圍內的值)。
電漿形成部係包含配置於是為真空容器之外側的處理室蓋2之上方及真空容器壁1之側方的形成電場及磁場的手段及傳播此等之手段。在本實施例中電場係藉微波振盪器14而形成，所形成之微波10係通過導波管16傳播而透過石英製之處理室蓋2而供給至處理室3。
導波管16，係剖面具有：在圓形之處理室蓋2的上方延伸於上下方向之圓筒形部、及此圓筒形部之上端部與其一端部連結而延伸於水平方向之剖面為矩形之矩形筒部。磁控等之微波振盪器14係配置於矩形筒部之另一端部。
在處理室蓋2之上側與處理室壁1之外側周 圍，係設置了是為直流之磁場產生的手段之螺線管線圈18，藉此所生成之磁場被供給至處理室3內部。可與藉微波振盪器14所形成之既定的頻率(在本實施例中係2.54GHz)的微波10產生共鳴的既定之強度的磁場被供給於處理室3內部，處理氣體7的粒子藉此等之相互作用被激發而於處理室3內形成電漿11，使用電漿11樣品5之上表面被蝕刻處理。
此外，在本實施例中係為了在處理中將樣品5之溫度維持、調節成適切的溫度，於配置在樣品台4之內部的冷媒流路20作為冷媒而供給R410a(氫氟碳化物)而循環。冷媒流路20，係在圓筒形之樣品台4所具備的圓板狀之金屬製的基材之圓形的剖面之中心的周圍配置為複數之多重的圓形或環狀、或螺旋狀而剖面具有矩形。
在本實施例中，係從冷媒流路20之出口依第二膨脹閥24-2、冷煤氣化器26、壓縮機21、凝結器22、第一膨脹閥24-1、冷媒流路20入口之順序，透過冷媒在此等之內部流通的冷媒管而被連結並構成冷媒循環之冷卻循環。冷媒流路20及內包此之樣品台4的基材係在冷凍循環上作用為蒸發器。
在冷凍循環中凝結器22係冷媒在該流路之內部進行熱交換並放出潛熱且液化之熱交換器，並具備以下構成：與是為與冷媒進行熱交換之2次媒體的熱交換媒體23-1所流通之管路30熱連接，冷媒與熱交換媒體23-1進行熱交換。具體而言，在具有複數個複數之彎曲部與直線 狀部而複數之直線狀部被並列配置且冷媒管貫通的複數之金屬製的散熱片，以冷媒管與同樣地與彎曲部並列之直線狀部的組合所構成之熱交換媒體23-1的管路30接觸或貫通而配置而構成凝結器22。
在與凝結器22之熱交換媒體23-1的管路30之供給口(入口)或排出口(出口)連結之管路上，係配置了是為將熱交換媒體23-1之流量或溫度調節成既定之值的手段之凝結器流量閥28。在本實施例中，係使用水作為熱交換媒體23-1並進行藉凝結器流量閥28之動作的流量之控制。熱交換媒體23-1亦可使用Fluorinert等之冷媒，另外亦可將已調整溫度之可沸或非可沸的冷媒供給於凝結器22之管路30而調節在凝結器22之熱交換量。
此外，在本實施例中，係在冷媒流路20出口與壓縮機21之入口之間的冷媒管上，係配置了：將液態之冷媒加熱而使其全部或實質上完全蒸發而氣化之冷煤氣化器26。冷煤氣化器26亦與凝結器22同樣地是為熱交換器，具備以下構成：並列配置的複數之冷媒管的直線狀部貫通之複數散熱片與是為2次冷媒之熱交換媒體23-2流通之蛇行而配置之管路31熱連接而冷媒與熱交換媒體23-2進行熱交換。
再者，在樣品台4或第一膨脹閥24-1與第二膨脹閥24-2之間配置是為檢知冷媒之溫度或蒸發器之溫度的溫度感測器的負載側溫度計27，在凝結器22與第一膨脹閥24-1之間配置檢知在凝結器出口的冷媒之溫度的 冷媒溫度計25。在本實施例中，負載側溫度計27包含配置於樣品台4的基材之內部的阻抗體。
接著，說明有關於本實施例之冷凍循環調節樣品台4(蒸發器)之溫度的動作。在樣品台4上之載置面上載置樣品5而在處理室3內形成電漿並進行樣品5之處理。在此狀態下，冷凍循環係為了使樣品台4或基材而且樣品5之溫度成為對於接下來要實施或正進行之蝕刻處理為適切的範圍而依來自是為後述之控制裝置的溫度控制基板101的指令信號而動作。
冷凍循環之冷媒係藉旋轉之壓縮機21的動作而送出，通過管路而導入凝結器22。在凝結器22中於管路30內供給流量、速度或溫度藉凝結器流量閥28而被調節成既定之範圍的水。導入凝結器22內的冷媒管之冷媒與管路30內之水進行熱交換使得冷媒內部之潛熱被放出而傳達至水而冷媒凝結。
凝結並液化之冷媒，係經過開度被作成既定之範圍的第一膨脹閥24-1而從樣品台4內之冷媒流路20的入口導入內部。冷媒流路20內部之冷媒，係與溫度因從電漿供給至樣品5及透過此而供給於樣品台4之熱量而上升之基材進行熱交換後一面蒸發一面流通，而使冷媒流路20近旁的基材之溫度成為接近冷媒之蒸發溫度的值。
在冷媒流路20內部處於氣體及液體的混合(氣液混合)之狀態的冷媒，係從冷媒流路20之出口流出而通過冷媒管並經過其開度被調節之第二膨脹閥24-2 而導入冷煤氣化器26。在冷煤氣化器26之管路31，係與凝結器22之管路30同樣地，作為熱交換媒體23-2而導入水，其溫度藉通過第二膨脹閥24-2而下降之冷媒與熱交換媒體23-2之水進行熱交換使得液態之冷媒其全部氣化或可視為此之程度地大致全氣化。
在本實施例中，係透過對於藉開閉之將冷媒的流路之截面積進行增減之第一膨脹閥24-1及第二膨脹閥24-2之開度進行調節，使得導入冷媒流路20的冷媒之溫度或壓力被調節為適於蝕刻處理之所望的範圍內之值。例如，在上述冷凍循環中縮小第一膨脹閥24-1之開度，或增加第二膨脹閥24-2之開度時冷媒之壓力在此等之間的部分會降低，作為結果而循環於冷媒流路20的冷媒之溫度會下降，冷媒之蒸發溫度會降低。
相反地，增加第一膨脹閥24-1之開度，或縮小第二膨脹閥24-2之開度時，流通於冷媒流路20的冷媒之壓力會上升而冷媒之溫度會上升，冷媒之蒸發溫度會上升。如上所述，第一膨脹閥24-1與第二膨脹閥24-2係藉調整各自的開度之增減，從而可調節冷媒流路20而且樣品台4(之上表面)、樣品5之溫度。尤其，在本實施例中，係第一膨脹閥24-1與第二膨脹閥24-2係藉逆向地並行而進行各自的開度之增減的動作，從而相較於單一地使用第一膨脹閥24-1或第二膨脹閥24-2之任一方的情況，可實現涉及廣範圍的溫度，再者，係可使溫度之變化的響應性提升，能以更高之精度實現所望的溫度。
在本實施例中，係依來自溫度控制基板101之指令信號，第一膨脹閥24-1、第二膨脹閥24-2之開度的增減，係調節成其中一方的開度增大同時另一方減少。具體而言，溫度控制基板101係以與使其中一方的開度增大之動作同時進行使另一方之開度減少之動作的方式命令各者以調節此等動作。開度之詳細的值，係以其中一方的開度之倒數與另一方的開度之倒數的和成為固定值之方式，各自的開度藉溫度控制基板101之運算器而使用既定之演算法以算出，以成為此等之開度的值之方式調節第一膨脹閥24-1、第二膨脹閥24-2之動作。
此外，亦可藉在凝結器22之熱交換量的調節而調節在冷媒流路20內的冷媒之溫度。例如，即使使第一膨脹閥24-1之開度為固定，在使在凝結器22之冷媒的排熱量降低的情況下在冷媒流路20內之冷媒溫度會上升。相反地，藉使在凝結器22之排熱量上升可使在冷媒流路20內之冷媒溫度降低。
第一膨脹閥24-1及第二膨脹閥24-2之開度，係基於使用來自配置於樣品台4的基材內部之負載側溫度計27的輸出而檢測出之資訊而依來自溫度控制基板101之指令信號而被調節。此外，凝結器流量閥28之開度或溫度之設定基於從配置於凝結器22與第一膨脹閥24-1之間的冷媒管上並檢知在凝結器出口的冷媒之溫度的冷媒溫度計25之輸出所檢測出之值而被調節且在凝結器22之熱交換量被調節。
另外，在本實施例中係在蝕刻處理中的樣品5之溫度的目標值被預先儲存於溫度控制基板101內部的記憶手段之程式等軟體而程式化。從上述之各溫度計所輸出之信號透過有線或無線之通信而傳達，在藉通訊介面而接收該信號之溫度控制基板101中成為對象之溫度被檢測出且各控制對象之閥開度依該值而按照儲存於預先配置於內部之記憶手段的軟體等之演算法而藉同樣配置於內部之運算手段而算出，基於此基之指令信號被發送至第一膨脹閥24-1及第二膨脹閥24-2或凝結器流量閥28使得樣品5或樣品台4之溫度被回授控制。
圖2，係繪示相對於在示於圖1的實施例中之凝結器的熱交換量之變化的樣品台之溫度的變化之圖表。如該圖所示，在增加流入凝結器22之水的流量而使在凝結器22之冷媒的排熱量(傳達於水之冷媒的潛熱之量)增大之情況下，由於在凝結器22之熱交換量增加，即使在第一膨脹閥24-1之開度不增減之情況下，冷媒流路20內的冷媒之溫度、壓力或蒸發溫度會降低而樣品台4之溫度T會降低。亦即，藉使在凝結器22之熱交換量增減，變得可調節樣品台4之溫度T。
如本圖所示，凝結器22出口之冷媒溫度T0的變化與樣品台4之溫度T的變化係同樣地顯示均勻現象之特性。另外，本圖，係第一膨脹閥24-1之開度被設成既定之值且發生流阻之狀態下(第一膨脹閥24-1係成為在全開之狀態下無遮斷冷媒管之內部的流路者之全通的狀 態下)的例子，藉此相對於第一膨脹閥24-1上游側之凝結器22出口的冷媒溫度T0變成高於下游側的樣品台4之溫度T。
圖3，係繪示相對於在示於圖1的實施例中之凝結器的在出口側之溫度的變化之樣品台的溫度變化之圖表。在本圖中，樣品台4之溫度T的溫度亦隨著橫軸之凝結器22出口冷媒溫度T0的上升而上升。此係與在圖2之說明同樣地，繪示：凝結器22之出口冷媒溫度T0上升成使凝結器22之熱交換量降低的程度，而且樣品台4之溫度T上升。
此外，本圖係繪示藉冷凍循環之膨脹閥的溫度可變範圍。藉縮小第一膨脹閥24-1之開度可將樣品台溫度T控制成低溫，相反地藉增加第一膨脹閥24-1之開度可將樣品台溫度T控制成高溫。此情況下，設置第二膨脹閥24-2，使開度之增減的方向相對於第一膨脹閥24-1逆向動作，使得藉膨脹閥24-1,24-2之可變溫度範圍δ T會擴大。根據以上，可得知：在控制凝結器22之熱交換量而將凝結器出口之冷媒溫度T0控制於A之情況下，藉成對控制第一膨脹閥24-1與第二膨脹閥24-2之開度，樣品台溫度T係可在T1至T3為止的範圍內控制溫度。
於此，若要使用直接膨脹式之樣品台的冷卻裝置而實現高溫度響應性與廣溫度控制範圍，則說明上述圖1~圖3之系統構成及控制方法為有效的。
在使用了冷凍循環之對象的溫度之控制中從 樣品台4(熱交換器)之溫度的響應性之點而言，藉膨脹閥24-1或24-2的冷媒之溫度(或壓力、蒸發溫度)的調節成為有效的。另一方面，在本實施例中調節在凝結器22之熱交換量的情況下，係由於在凝結器流量閥28之開度被調節且流入凝結器22之熱交換媒體23-1的流量被增減後熱交換之量產生變化故該凝結器流量閥28之動作的開始至冷媒之溫度的期望之值為止的變化需要時間。
此外，凝結器22係冷媒及熱交換媒體23-1之2個媒體流通且該熱容量相對地大，亦成為使熱交換量變動至期望的值為止需要時間的因素。另一方面，藉膨脹閥24-1或24-2之開度的增減由於係直接地調節冷凍循環內之冷媒管的流阻，故可響應性佳地調節冷媒之壓力、亦即冷媒之溫度。所以，在本實施例中，係在樣品5之處理對象膜的蝕刻處理開始前，以藉膨脹閥24-1或24-2之可變溫度範圍δ T可涵蓋蝕刻程序時需要的溫度範圍之方式，來自基於含於預先記憶在記憶手段之資料庫的資料而算出之溫度控制基板101的指令信號而調節凝結器流量閥22之開度而將凝結器22之出口冷媒溫度T0以成為所設定之範圍內的值之方式作調節並將此結束。此後開始之蝕刻處理中，係藉依來自溫度控制基板101之指令信號而使膨脹閥24-1,24-2之開度作增減以實現依各處理步驟之既定的配方之適切的樣品5之溫度。
如同專利文獻1，在使凝結器22之熱交換量為固定而僅以膨脹閥開度對於樣品台溫度T進行控制之情 況下，係存在無法充分確保樣品台溫度T之溫度控制範圍的情況。例如在圖3中，存在需要對於樣品台溫度T在T1至T3的溫度範圍內進行控制的蝕刻程序之情況下，以凝結器出口冷媒溫度T0成為A的方式將熱交換量初始化即可。然而，在其他蝕刻程序中T2至T4的控制變為必要之情況下，在如同本實施例的凝結器22之熱交換量的熱交換量控制無法進行之現有技術下，由於僅能應對T2至T3為止的溫度範圍並無法實現T3至T4的溫度範圍，故無法獲得所望的結果。
此外，考量凝結器22之排熱量依流入凝結器22的熱交換媒體之流量和溫度而變化時，在半導體裝置之製造工廠的冷卻水之水量或溫度產生變化之情況下存在可變溫度範圍受其影響而變化之虞。實際上，使用之冷卻水的溫度因製造半導體裝置之工廠而各自不同的情況為一般的。在無法以此方式對於在凝結器22之熱交換量適切地進行調節之情況下，結果變得難以實現期望的樣品台4之溫度T。
於此，使用圖3敘述檢知樣品台溫度T而對於膨脹閥開度及凝結器22之熱交換量進行控制之情況下的實際之動作例。例如，在蝕刻程序中存在對於樣品台溫度T在T1至T3之範圍內進行控制之必要，假設最初的步驟之溫度設定值(目標值)為T2。此情況下，膨脹閥開度與凝結器22之熱交換量基於來自樣品台溫度計27之檢測值而受控制，當作凝結器出口溫度T0到達B，樣品 台溫度T到達T2。接著樣品台溫度T之設定值(目標值)在蝕刻程序中變化成T1之情況下，膨脹閥係已受控制成低溫側之限度的狀態，存在增加凝結器22之熱交換量而將出口冷媒溫度T0從B控制成A之必要。在此情況下變成依凝結器22之熱交換量而對於樣品台溫度T僅溫度控制△T份，無法獲得高的響應性。
所以，在本發明係在凝結器22出口與第一膨脹閥24-1之間設置測定凝結器出口冷媒溫度T0的溫度計25，基於此檢測值而對於凝結器流量閥28之開度進行控制從而調節凝結器22之熱交換量，可確保膨脹閥之溫度控制範圍。藉此，在期望的溫度範圍中，藉膨脹閥之高速的溫度控制變成可能。
在使用複數之處理步驟而對於在是為處理對象之晶圓的樣品5上預先形成並配置之處理對象的至少1層之膜構造進行蝕刻處理之情況下，適於此等之處理步驟的樣品5或樣品台4上表面之溫度值或差的大小超過δ T在處理前，在設置了電漿處理裝置100之無塵室等之廠房中接收來自命令樣品被收納於內部之盒子的搬送之時序和量或此等盒子之每一者的處理之條件並對於此等之動作進行控制之主電腦的配方而進行判定之結果判明之情況下，以成為在此等之處理條件下的適切之溫度的值可在δ T之範圍內實現的凝結器22之出口冷媒溫度T0之方式，以凝結器流量閥28所設定之開度或溫度基於來自溫度控制基板101之指令信號而被增減。亦即，在圖3中，在判明在 對象膜之蝕刻處理的步驟中之適切的樣品4之溫度在T3~T4之範圍內之情況下，係在處理之開始前捨處理而使凝結器22之出口溫度T0從A朝B之方向增大，在此等處理步驟中之適當溫度可在藉第一及第二膨脹閥24-1,24-2之成對的開閉之動作而可變之溫度範圍δ T內實現的凝結器22之出口冷媒溫度T0之值藉運算器而按照既定之演算法而算出並在A以上之溫度中作選擇，藉依照了藉依指令信號而實施之使用了冷媒溫度計25的輸出之回授控制的凝結器流量閥28之動作的熱交換量之增減而實現。
在上述之實施例中之藉在冷媒流路20的冷媒之溫度、壓力、蒸發的溫度之調節而使樣品台4(及其上表面、樣品5)之溫度為適於處理之範圍的動作，係使第一膨脹閥24-1、第二膨脹閥24-2、凝結器流量閥28之動作連動而進行。另一方面，一般而言，包含上述處理步驟的適正之溫度的處理之條件，係將同等或近似於視為相同之程度的膜構造按在其上表面所具有之複數片的半導體晶圓等樣品5之聚集(批)而設定。由此，選擇凝結器22之出口冷媒溫度T0而予以增減之調節，係在處理之空閒時間，例如上述處理之條件被變更之每批在其開始前、或對於前批之處理的結束後和處理對象之最後的樣品5之處理結束且來自下批或同批之下個盒子之樣品5的處理之開始為止之間進行，作成處理步驟間之樣品5或樣品台4之溫度的變更係藉第一、第二膨脹閥24-1,24-2之成對的開閉的動作而進行亦可。
圖4，係將示於圖1之實施例的變化例相關之電漿處理裝置的樣品台及冷凍循環的構成示意性地放大而繪示之縱剖面圖。
若要對於樣品台4之上表面或載置於其的樣品5之溫度減低其面內之不均勻，則抑制在樣品台4內部之冷媒流路20內冷媒會完全氣化且液態之冷媒會消失之所謂乾化發生而保持氣液二相之狀態較佳。另一方面，抑制至樣品台冷媒流路20之出口為止氣液二相之狀態被維持之冷媒所含的液態之冷媒流入壓縮機21變為必要的。
在本實施例中，係為了在冷媒流路20的出口與壓縮機21的入口之間使液態之冷媒蒸發，在樣品台4與壓縮機21之間，尤其在第二膨脹閥24-2與壓縮機21之間的冷媒管上配置了冷煤氣化器26。冷煤氣化器26，係與凝結器22同樣地為熱交換器，具備與冷媒管熱連接而與冷媒進行熱交換之熱交換媒體23-2流通的管路31。在冷煤氣化器26與樣品台4的冷媒流路20出口之間係配置了第二膨脹閥24-2，以第二膨脹閥24-2減壓而蒸發溫度降低之冷媒所含的液態之冷媒係在流通於冷煤氣化器26之冷媒管的期間從流於管路31之水接收熱而蒸發，在不含液態之冷媒的氣體之狀態下返回壓縮機21。
此情況下，冷媒之乾燥度依在冷煤氣化器26中冷媒蒸發時吸收之潛熱的量(吸熱量)之大小而產生變化。為此，即便使第一膨脹閥24-1之開度為固定，在使在冷煤氣化器26之吸熱量增大之情況係冷媒之焓上升， 在樣品台4內部之冷媒流路20內的冷媒之蒸發溫度會上升。
為了使冷媒流路20而且樣品台4、載置於其上表面的樣品5之溫度之值為適於處理之範圍內，需要調節在冷煤氣化器26之冷媒的吸熱量。在本實施例中，係具備可在連結於冷煤氣化器26之入口或出口的管路31上可變地對於熱交換媒體23-2之流量或速度或溫度進行調節之與凝結器流量閥28同等之構成的氣化器流量閥29。
圖5，係繪示相對於在示於圖1的實施例中之氣化器的熱交換量之變化的樣品台之溫度的變化之圖表。如上所述，在冷媒氣化器26之熱交換量增加時，樣品台4之冷媒流路20內的冷媒之溫度、壓力或蒸發溫度會上升。
由此，得知：在以更廣的範圍實現供給於樣品台4的冷媒之溫度方面，係除了藉第一膨脹閥24-1、第二膨脹閥24-2的冷媒之溫度或壓力或蒸發溫度之調節以外，對於凝結器22或冷煤氣化器26的熱交換量進行調節為有效的。在本實施例中，係對於凝結器流量閥28與氣化器流量閥29之各者的開度逆向地進行控制，換言之對於凝結器22與冷煤氣化器26之熱交換量成對地進行控制。
亦即，進行與使其中一方的流量或速度增大之動作並行而使另一方之流量或速度減低之動作。例如，與凝結器流量閥28之閥的開度之增大或熱交換媒體23-1 之溫度的減低動作同時，溫度控制基板101將進行使氣化器流量閥29之閥的開度減低或使熱交換媒體23-2之溫度增大之動作的指令信號，發送至凝結器流量閥28及氣化器流量閥29。藉凝結器流量閥28及氣化器流量閥29之動作的熱交換量之增減的響應性由於相對地小，故將此等之動作重疊於相同時間而實施並非必須，至透過藉此等之動作的冷凍循環之樣品台4的冷媒流路20內之冷媒之溫度(壓力)不產生超過容許範圍之增減的程度，給定視為實質上並行之程度的時間差而予以動作亦可。
藉對於在是為這樣的冷凍循環的溫度控制對象之樣品台4以外的熱交換器之熱交換量積極地進行調節之構成，尤其藉使凝結器流量閥28及氣化器流量閥29實質上並行而動作，可加寬樣品台4之冷媒流路20內的冷媒之溫度、而且樣品台4、樣品5之溫度的可實現的範圍。此等之溫度的調節，係可藉第一膨脹閥24-1、第二膨脹閥24-2、凝結器流量閥28、氣化器流量閥29之動作的連動而進行，另外，透過藉凝結器流量閥22、氣化器流量閥29之成對的開閉之動作的凝結器22、氣化器26各者的熱交換量之增減的凝結器22之出口冷媒溫度T0的回授控制，係與實施例同樣地，亦可作成在處理開始前或處理之結束後下個處理為止的期間之空閒時間進行。
如上所述，藉應用上述實施例，在廣的溫度之範圍中在蝕刻處理之處理步驟以高的精度實現樣品5之溫度為適於處理之值。使用示於圖4之構成而進行試驗之 結果，藉將凝結器22之出口冷媒溫度T0控制於47℃，可對於樣品台4之溫度T藉膨脹閥24-1,24-2之開度的增減之調節而溫度響應性佳地在15~45℃之範圍進行控制。另外，在上述之例係敘述針對樣品台4內之1個流路構成1個直接膨脹式之冷凍循環而進行該溫度之調節的例子，藉於樣品台4以可在其圓形的剖面之半徑方向或圓周方向給於溫度差之方式設置複數之冷媒流路20，分別構成具備可針對各自的冷媒流路20對於熱交換量進行調節之凝結器22或冷煤氣化器26的冷凍循環，亦可將樣品台4而且樣品5之該圓形的面內之溫度分布以高精度且響應性佳地實現為期望者。
1‧‧‧處理室壁
2‧‧‧處理室蓋
3‧‧‧處理室
4‧‧‧樣品台
5‧‧‧樣品
6‧‧‧氣體導入管
7‧‧‧處理氣體
8‧‧‧排氣口
9‧‧‧壓力調節閥
10‧‧‧微波
11‧‧‧電漿
12‧‧‧渦輪分子泵浦
14‧‧‧微波振盪機
16‧‧‧導波管
18‧‧‧螺線管線圈
20‧‧‧冷媒流路
21‧‧‧壓縮機
22‧‧‧凝結器
23-1‧‧‧熱交換媒體
23-2‧‧‧熱交換媒體
24-1‧‧‧第一膨脹閥
24-2‧‧‧第二膨脹閥
25‧‧‧冷媒溫度計
26‧‧‧冷煤氣化器
27‧‧‧負載側溫度計
28‧‧‧凝結器流量閥
30‧‧‧管路
31‧‧‧管路
100‧‧‧電漿處理裝置
101‧‧‧溫度控制基板

Claims (6)

  1. 一種電漿處理裝置，具備：配置於真空容器內並形成電漿之處理室、配置於此處理室內並於其上表面配置了是為使用了前述電漿之處理的對象的樣品之樣品台、配置於此樣品台之內部且冷媒在其內側流通而作用為蒸發器之冷媒流路、壓縮機、凝結器依此順序連結而構成且冷媒依該順序流通之冷凍循環、在此冷凍循環上之前述凝結器與前述冷媒流路之間以及前述冷媒流路與前述壓縮機之間所配置的第一、第二膨脹閥、及在前述冷凍循環上之此第二膨脹閥與前述壓縮機之間所配置且將前述冷媒加熱而氣化之氣化器，並具備：進行前述第一及第二膨脹閥之開閉的調節、及基於前述凝結器與前述第二膨脹閥之間的冷媒之溫度的在前述凝結器或前述氣化器之冷媒的熱交換量之調節的控制器。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，前述控制器，係使前述第一及第二膨脹閥之開度其中一方增大並與此並行而使另一方減低。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電漿處理裝置，其中，具有前述處理在各自不同之溫度的條件下進行的複數之步驟，在此等複數之步驟的處理之開始前對於在前述凝結器或前述氣化器之冷媒的熱交換量基於前述凝結器與前述第二膨脹閥之間的冷媒之溫度而進行調節。
  4. 一種電漿處理方法，在配置於真空容器內之處理 室內的樣品台之上表面配置是為處理的對象之樣品，於前述處理室內供給處理用之氣體而使用該氣體而形成電漿，使用該電漿而對於前述樣品進行處理，配置於前述樣品台之內部且冷媒在其內側流通而作用為蒸發器之冷媒流路構成該冷媒流路、壓縮機、凝結器依此順序連結而構成且冷媒依該順序流通之冷凍循環，此冷凍循環具備在前述凝結器與前述冷媒流路之間以及前述冷媒流路與前述壓縮機之間所配置的第一、第二膨脹閥、及在前述冷凍循環上之此第二膨脹閥與前述壓縮機之間所配置且將前述冷媒加熱而氣化之氣化器，進行前述第一及第二膨脹閥之開閉的調節、及基於前述凝結器與前述第二膨脹閥之間的冷媒之溫度的在前述凝結器或前述氣化器之冷媒的熱交換量之調節而將前述樣品台之溫度調節成期望的值而對於前述樣品進行處理。
  5. 如申請專利範圍第4項之電漿處理方法，其中，使前述第一及第二膨脹閥之開度其中一方增大並與此並行而使另一方減低而調節前述樣品台之溫度。
  6. 如申請專利範圍第4或5項之電漿處理方法，其中，具有前述處理在各自不同之溫度的條件下進行的複數之步驟，在此等複數之步驟的處理之開始前對於在前述凝結器或前述氣化器之冷媒的熱交換量基於前述凝結器與前述第二膨脹閥之間的冷媒之溫度而進行調節。
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