JP2009173969A - 温度制御機構およびそれを用いた処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理装置のチャンバ壁等の温度制御を高精度で行うことができる温度制御機構およびそれを用いた処理装置を提供すること。
【解決手段】温度制御機構５０は、チャンバ１のハウジング２壁部を区画した複数の領域５５をそれぞれ加熱する複数のヒータユニット５１と、 複数のヒータユニット５１にそれぞれ給電する複数のヒータ電源５２と、複数の領域５５の温度をそれぞれ測定する複数の熱電対５３と、各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラ５４とを具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体にプラズマ処理等の熱をともなう処理を行う処理装置に用いる温度制御機構およびそれを用いた処理装置に関する。

従来から、例えば、半導体デバイスの製造工程においては、被処理体である半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）に対してエッチング、アッシング、成膜等の種々のプロセスが行われており、これら処理は、チャンバ内の載置台にウエハを載置し、載置台およびチャンバハウジング等を温度制御しながら行われる。特に、成膜プロセスの場合には、チャンバを構成するハウジングの壁部に対するデポ制御が問題となり、デポを生じさせないために高精度の温度制御が要求される。

このような温度制御は、従来、ＰＩＤ制御により行われている（例えば、特許文献１）。ＰＩＤ制御は、入力値の制御を現在値と目標値との偏差、その積分、および微分の3つの要素によって行うフィードバック制御であり、制御対象モデルを必要としない。

しかしながら、ＰＩＤ制御により温度制御を行う場合には、偏差に対して感度を高くするとオーバーシュート、ハンチングの問題が生じ、目標温度への整定に時間がかかり、逆に感度を低くすると遅い応答となってやはり整定に時間がかかるため、目標温度に速やかに到達させることが困難である。また、ＰＩＤパラメータの設計に任意性があるため、パラメータの設計によって制御結果が変わってしまう。さらに、目標温度と実際の温度の偏差に基づいて制御を行うため、応答特性が悪く、ダイナミック制御誤差が問題となる。

また、近時、ウエハの大型化にともなう処理装置の大型化により、チャンバも大型化しているため、温度制御を多チャンネル化しているが、このような多チャンネルのＰＩＤ制御で温度制御を行う場合には、チャンネル間の温度ばらつきの問題や、チャンネル相互間に干渉が生じ、高精度の温度制御を行うことが困難である。
特開２００３−００５８０２号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、処理装置のチャンバ壁等の温度制御を高精度で行うことができる温度制御機構およびそれを用いた処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、処理容器内に収容した基板に対して所定の処理を行う処理装置において、処理容器の所定部分またはその中の所定部材を制御対象として温度制御を行う温度制御機構であって、前記制御対象を加熱するヒータユニットと、前記ヒータユニットに給電する給電部と、前記制御対象の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、前記制御対象が所定の目標温度になるように、前記給電部を制御するコントローラとを具備することを特徴とする温度制御機構を提供する。

本発明の第２の観点では、処理容器内に基板を収容し、その中に成膜用の処理ガスを導入して基板に対して成膜処理を行う処理装置において、処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構であって、前記処理容器壁部を区画した複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータユニットと、前記複数のヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、前記複数の領域の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラとを具備することを特徴とする温度制御機構を提供する。

本発明の第３の観点では、処理容器内に基板を収容し、その中に成膜用の処理ガスを導入して基板に対して成膜処理を行う処理装置において、処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構であって、前記処理容器壁部を区画した複数の領域に設けられ、これら領域をそれぞれ加熱する複数のメインヒータユニットと、前記処理容器の内部空間の壁部近傍位置に設けられ、前記処理容器壁部を加熱する複数のサブヒータユニットと、前記複数のメインヒータユニットおよび前記複数のサブヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、前記複数の領域の温度および前記サブヒータユニットにより加熱される前記処理容器壁部の複数の部分をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域または部分が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラとを具備することを特徴とする温度制御機構を提供する。

本発明の第４の観点では、処理容器と、前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、前記処理容器内で基板に所定の処理を施すための機構と、処理容器の所定部分またはその中の所定部材を制御対象として温度制御を行う温度制御機構とを具備する処理装置であって、前記温度制御機構は、前記制御対象を加熱するヒータユニットと、前記ヒータユニットに給電する給電部と、前記制御対象の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、前記制御対象が所定の目標温度になるように、前記給電部を制御するコントローラとを有することを特徴とする処理装置を提供する。

本発明の第５の観点では、処理容器と、前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、前記処理容器内に成膜用の処理ガスを供給するガス供給部と、前記基板支持台を加熱する加熱機構と、処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構とを具備し、基板に対して成膜処理を行う処理装置であって、前記温度制御機構は、前記処理容器壁部を区画した複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータユニットと、前記複数のヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、前記複数の領域の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラとを有することを特徴とする処理装置を提供する。

本発明の第６の観点では、処理容器と、前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、前記処理容器内に成膜用の処理ガスを供給するガス供給部と、前記基板支持台を加熱する加熱機構と、処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構とを具備し、基板に対して成膜処理を行う処理装置であって、前記温度制御機構は、前記処理容器壁部を区画した複数の領域に設けられ、これら領域をそれぞれ加熱する複数のメインヒータユニットと、前記処理容器の内部空間の壁部近傍位置に設けられ、前記処理容器壁部を加熱する複数のサブヒータユニットと、前記複数のメインヒータユニットおよび前記複数のサブヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、前記複数の領域の温度および前記サブヒータユニットにより加熱される前記処理容器壁部の複数の部分をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域または部分が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラとを具備することを特徴とする処理装置を提供する。

上記第２、第３、第５、第６の観点において、前記処理容器の複数の領域は、前記処理容器の周方向に配列されるように構成することができる。

上記第５、第６の観点において、前記処理装置が、前記処理容器内で処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成機構をさらに具備するものであってもよく、この場合に前記プラズマ生成機構としては、前記処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスをプラズマ化するものを用いることができる。

上記第１〜第６の観点において、前記コントローラは、目標温度を設定する設定器と、対応する前記温度センサーにより測定された温度が目標温度になるように制御信号を出力するＩＬＱ制御器とを有する構成とすることができ、この場合に、前記ＩＬＱ制御器は、状態観測器を有することが好ましい。

本発明の第７の観点では、処理容器と、前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、前記処理容器内に成膜用の処理ガスを供給するガス供給部と、前記基板支持台の温度制御を行う温度制御機構とを具備し、基板に対して成膜処理を行う処理装置であって、前記温度制御機構は、 前記基板支持台を区画した複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータユニットと、前記複数のヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、前記複数の領域の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、 前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラとを有することを特徴とする処理装置を提供する。

本発明によれば、ＩＬＱ制御方式により制御対象および外乱要因をモデル化して制御対象の温度制御を行うので、最適レギュレータの逆問題を利用して、最適なパラメータを一意的に決定することができ、誤差および入力を最小にすることができ、応答も指定することができる。このため、目標値に対する追従性が良く、ダイナミック誤差も最小にすることができる。また、ＰＩＤ制御のようにオーバーシュートがなく、電源容量を考慮した最適な制御量とすることができるので、ＰＩＤ制御よりもエネルギー効率が高い。さらに、ＩＬＱ制御はロバスト性が良好であり、制御対象モデルが一定範囲変動しても制御性能が保証される。

また、処理容器壁部を複数の領域に区画して、これらの領域毎に多チャンネルでＩＬＱ制御により温度制御することにより、各チャンネル間で制御を非干渉化することができ、隣接するチャンネルからの影響を受けずに高精度の制御を行うことができ、各チャネル間の温度の均一性も高くすることができる。

さらに、このような処理容器壁部の温度制御において、処理容器内の空間に処理容器に近接して多チャンネルのサブヒータを設けることにより、一層高精度の温度制御をすることができる。従来のＰＩＤ制御では、このようにヒータを他のヒータに近接して設けて独立して制御を行うことが困難であったが、ＩＬＱ制御により隣接するチャンネル間の制御を非干渉化することができるので、このようなサブヒータの効果を有効に発揮してより高精度の制御を行うことができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
ここでは、本発明の温度制御機構をマイクロ波プラズマ処理装置のチャンバ壁（ハウジング部）に適用した例について示す。
図１は、本発明の一実施形態に係る温度制御機構が適用されたマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図である。このマイクロ波プラズマ処理装置１００は、複数のスロットを有する平面アンテナ、例えばＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波などのマイクロ波を導入することにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ、これにより成膜処理を行うプラズマ成膜装置として構成されている。

プラズマ処理装置１００は、気密に構成され、ウエハＷが搬入される接地された略円筒状のチャンバ（処理容器）１を有している。このチャンバ１は、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなり、その下部を構成するハウジング部２と、その上に配置されたチャンバウォール３とで構成されている。また、チャンバ１の上部には、処理空間にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入部３０が開閉可能に設けられている。

ハウジング部２の底壁２ａの略中央部には円形の開口部１０が形成されており、底壁２ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出してチャンバ１内部を均一に排気するための排気室１１が連設されている。

ハウジング部２内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ５が、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材４により支持された状態で設けられている。サセプタ５および支持部材４はＡｌＮ等のセラミックスで構成されている。サセプタ５の外縁部にはウエハＷをガイドするためのガイドリング８が設けられている。また、サセプタ５には、抵抗加熱型のヒータ１２が埋め込まれており、ヒータ電源６から給電されることによりサセプタ５を加熱して、その熱で被処理体であるウエハＷを加熱する。サセプタ５の温度は、サセプタ５に挿入された熱電対１３によって測定され、熱電対１３からの信号に基づいて温度コントローラ１４がヒータ電源６を制御し、例えば室温から１０００℃までの範囲で温度制御可能となっている。

また、サセプタ５には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）がサセプタ５の表面に対して突没可能に設けられている。サセプタ５の外周側には、チャンバ１内を均一排気するためのバッフルプレート７が環状に設けられ、このバッフルプレート７は、複数の支柱７ａにより支持されている。

上記排気室１１の側面には排気管１６が接続されており、この排気管１６には高速真空ポンプを含む排気装置１７が接続されている。そしてこの排気装置１７を作動させることによりチャンバ１内のガスが、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に排出され、排気管１６を介して排気される。これによりチャンバ１内は所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。

ハウジング部２の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口と、この搬入出口を開閉するゲートバルブとが設けられている（いずれも図示せず）。

チャンバ１の側壁上部には、チャンバ１内に処理ガスを導入するためのガス導入ノズル１８が設けられており、このガス導入ノズル１８には、配管１９を介して成膜用の処理ガスを供給する処理ガス供給部２０が接続されている。そして、処理ガス供給部２０から所定の処理ガスが配管１９およびガス導入ノズル１８を介してチャンバ１の上部に導入される。

チャンバ１内の上部には、多数のガス通過孔２１ａを有するシャワープレート２１が水平に設けられており、ガス導入ノズル１８からチャンバ１内に導入され、マイクロ波により励起された処理ガスが、シャワープレート２１のガス通過孔２１ａを通過してシャワー状にウエハＷに供給されるようになっている。

チャンバ１の上部は開口部となっており、この開口部を塞ぐようにマイクロ波導入部３０が気密に配置可能となっている。このマイクロ波導入部３０は、図示しない開閉機構により開閉可能となっている。

マイクロ波導入部３０は、サセプタ５の側から順に、透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３を有している。これらは、シールド部材３４によって覆われ、支持部材３６を介して断面視Ｌ字形をした環状の押えリング３５によりＯリングを介してアッパープレート２７の支持部材に固定されている。マイクロ波導入部３０が閉じられた状態においては、チャンバ１の上端とアッパープレート２７とがシール部材（図示せず）によりシールされた状態となるとともに、マイクロ波導入部３０が後述するように透過板２８を介してアッパープレート２７に支持された状態となっている。

透過板２８は、石英やセラミックス等の誘電体からなり、マイクロ波を透過しチャンバ１内の処理空間に導入するマイクロ波導入窓として機能する。この透過板２８は、マイクロ波導入部３０の外周下方に環状に配備されたアッパープレート２７の内周面の突部２７ａにより、シール部材２９を介して気密状態で支持されている。したがって、マイクロ波導入部３０が閉じられた状態でチャンバ１内を気密に保持することが可能となる。

透過板２８の上方には、サセプタ５と対向するように、円板状の平面アンテナ３１が設けられている。この平面アンテナ３１はチャンバ１の側壁上端に係止されている。平面アンテナ３１は、導体、例えば表面が金メッキされた銅板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔（スロット）３２が所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。すなわち、平面アンテナ３１はＲＬＳＡアンテナを構成している。このマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように長溝状をなし、隣接するマイクロ波放射孔３２同士が交差するように、典型的には図示のように直交するように（「Ｔ」字状に）配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されている。マイクロ波放射孔３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長等に応じて決定される。なお、図２において、同心円状に形成された隣接するマイクロ波放射孔３２同士の間隔Δｒ（中心から一番内側のマイクロ波放射孔３２までの間隔も同じ）を後述する遅波板３３中におけるマイクロ波の波長とし、平面アンテナ３１の中心から最内周のマイクロ波放射孔３２までの長さもΔｒとすると、ここから強い電界が放射されることとなり好ましく、図示例では４ターンのマイクロ波放射孔が配置されている。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。また、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず同心円状の他、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。

この平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する誘電体からなる遅波板３３が設けられている。この遅波板３３は、真空中におけるマイクロ波の波長よりも遅波板中におけるマイクロ波の波長を短くする機能を有している。

チャンバ１の上面には、これら平面アンテナ３１および遅波板３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材からなるシールド蓋体３４が設けられている。

シールド蓋体３４には、冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、平面アンテナ３１、マイクロ波透過板２８、遅波板３３、シールド蓋体３４を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。また、シールド蓋体３４には、温度制御用のヒータ（図示せず）も設けられている。

シールド蓋体３４の上壁の中央には開口部４２が形成されており、この開口部には導波管３７が接続されている。この導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介して上記平面アンテナ３１へ伝搬されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。

導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部４２から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部に接続された水平方向に延びる断面矩形状の矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂの同軸導波管３７ａとの接続部側の端部にはモード変換器４０が設けられている。同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在しており、この内導体４１の下端部は平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。

チャンバ１のハウジング部２は、その壁部の温度が、本実施形態の温度制御機構５０によって制御されるようになっている。本実施形態のようなプラズマ成膜装置においては、極力チャンバ壁にデポが付着しないようにすることが望まれるため、チャンバ１の主要部を構成するハウジング部２の壁部の温度をデポが生じ難い温度、例えば１５０℃程度の温度に制御する。この制御機構５０は、ハウジング部２の壁部を複数ゾーンに分け、複数ゾーン毎に温度制御するようになっており、各ゾーン毎に設けられた複数のヒータユニット５１と、これら複数のヒータユニット５１にそれぞれ給電する、複数のヒータ電源５２（図１では１つのみ図示）と、各ゾーンの温度を計測する複数の（図１では１個のみ図示）温度センサーとしての熱電対５３と、熱電対５３の測定信号が送られ、それに基づいてハウジング部２の各ゾーンの温度を制御する複数（図１では１つのみ図示）のコントローラ５４とを有している。

図３に示すように、ハウジング部２の壁部は、ハウジング部２の周方向に沿って複数例えば６つのゾーン（領域）５５に分かれており、これら各ゾーン５５毎に、ヒータユニット５１、ヒータ電源５２、熱電対５３、コントローラ５４が備えられている。

コントローラ５４は、図４に示すように、目標温度を設定する設定器６１と、目標温度と熱電対からの信号に基づいて制御信号をヒータ電源５２に送るＩＬＱ制御器６２とを有している。

ＩＬＱ制御器６２は、現代制御理論に基づくＩＬＱ（Inverse Linear Quadratic）制御方式を採用した制御器である。このＩＬＱ制御方式は、制御対象、外乱要因をモデル化（状態空間モデル）し、ＩＬＱ設計法により、これらのモデルに対する最適なフィードバック法則を一意的に決定する。ここで、ＩＬＱ設計法とは、最適レギュレータの逆問題を利用したサーボ設計法である。なおＩＬＱ制御に基づく制御系の設計については、藤井、下村：ＩＬＱ最適サーボ系の設計法の一般化、システム制御情報学会論文誌、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ６、ｐｐ．１９４−２０３（１９８８）を参考文献として挙げることができる。

この際の制御系のブロック線図は図５に示すようになる。ここでｏｂは状態観測器（オブザーバ）でありＫはフィードバックマトリックスである。また、ｕは制御入力であり、ｘはモデルの状態量である。

最適レギュレータ問題は、制御対象モデルに対して以下の（１）式に示す２次評価関数（目標関数）Ｊを最小にする入力ｕ（ｔ）を求める問題であり、その解は、ｕ（ｔ）＝Ｋｘ（ｔ）として得られる。

上記（１）式において、ｅは温度誤差、Ｑ，Ｒは重み行列である。

ここで、制御対象のモデルとしては、線形化した数学的モデルである部分空間モデルを用いた以下の（２）、（３）式を適用する。

ただし、Ａ，Ｂ，Ｃは行列である。

最適レギュレータ問題（順問題）では、まず２次評価関数の重み行列を選定し、次にリカッチ方程式を数値的に解いて状態フィードバックゲインを計算するが、重み行列の選定が過渡応答のオーバーシュートや整定時間などの工学的仕様と明確に結びついておらず、望ましい制御器を得るまでに多くの施行錯誤や反復作業が必要となるが、ＩＬＱ設計法は、上述したように、最適レギュレータの逆問題を利用するものであり、状態フィードバックが最適制御であるための必要十分条件は、ゲインＫに対して適当な正則行列ＶとΣおよび適当な実行列が存在して、ゲインＫがこれらを用いた所定の式が成立することであり、この式から最適なゲインを比較的容易にかつ工学的仕様を満たしやすい形で求めることができる。

なお、チャンバウォール３の壁部についても、図示してはいないが同様の温度制御機構により温度制御されるようになっている。また、これも図示はしていないが、シャワープレート２１は空冷されるようになっており、同様の温度制御機構により所定温度の空気の流速を制御することにより温度制御されるようになっている。シールド蓋体３４についは、上述したように冷却水流路３４ａを流れる冷却水の流速と図示しないヒータの出力を同様の制御機構により制御することにより温度制御されるようになっている。制御温度については、チャンバウォール３の壁部およびシャワープレート２１は、例えば２００℃程度に制御されるようになっており、シールド蓋体３４は１００℃程度に制御されるようになっている。

サセプタ５の温度制御についても、複数チャンネル、例えば３チャンネルの制御を行うようになっており、ハウジング部２と同様のＩＬＱ制御を採用することができる。サセプタ５の温度は、成膜する膜に応じて
例えば３００〜４００℃程度の間で最適な温度が採用される

プラズマ処理装置１００の各構成部は、メインコントロールユニット７０により制御されるようになっている。このメインコントロールユニット７０は、所定の制御を実施するための制御プログラムや処理レシピ等を格納するプログラム格納部、制御プログラムに基づいて実際に各構成部を制御するプロセスコントローラ、およびキーボードやディスプレー等からなるユーザーインターフェースを有している。

具体的には、このメインコントロールユニット７０は、マイクロ波発生装置３９、マッチング回路３８、マイクロ波導入部３０、ガスの供給および排気、ゲートバルブ、昇降ピン等の駆動系、温度コントローラ等の制御を行う。

次に、このように構成されたプラズマ処理装置１００の動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ５上に載置する。そして、処理ガス供給部２０から、成膜用の処理ガスをチャンバ１の上部に導入する。

次に、マイクロ波発生装置３９からのマイクロ波を、マッチング回路３８を経て導波管３７に導き、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０、および同軸導波管３７ａを順次通過させて内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給し、平面アンテナ３１のスロットから透過板２８を介してチャンバ１内に放射させる。

マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬されていく。平面アンテナ３１から透過板２８を経てチャンバ１に放射されたマイクロ波によりチャンバ１内で電磁界が形成され、処理ガスがプラズマ化する。そして、処理ガスのプラズマは、シャワープレート２１を通過して、均一にサセプタ５上のウエハＷに供給される。

このプラズマは、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のスロット孔３２から放射されることにより、略１×１０^１０〜５×１０^１２／ｃｍ^３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．５ｅＶ以下の低電子温度プラズマとなる。したがって、このプラズマをウエハＷに対して作用させることにより、プラズマダメージを抑制した処理が可能になる。

このようにしてプラズマ化された成膜用の処理ガスにより、ウエハＷ上に所定の膜を成膜するが、その際に、サセプタ５は成膜に適した温度にコントロールされる。一方、チャンバ１の壁部、特にハウジング部２の壁部は、デポが生じ難い温度、例えば１５０℃程度の温度に制御されるが、ハウジング部２の壁部は非常に大型なものであり、その温度を高精度で制御するために、例えば、図３に示したように、６チャンネルの温度制御を行う。

この種の制御に従来から多用されているＰＩＤ制御により温度制御を行う場合には、目標温度に速やかに到達させることができず、ダイナミック制御誤差が問題となる他、このように多チャンネルの温度制御を行うと、チャンネル間の温度ばらつきの問題や、チャンネル相互間に干渉が生じ、高精度の温度制御が困難となる。

これに対して、本実施形態では、ＩＬＱ設計法に基づくＩＬＱ制御器６２を用い、制御対象および外乱要因をモデル化して制御を行うので、極めて高精度の制御を行うことができる。すなわち、ＩＬＱ制御では、最適レギュレータの逆問題を利用することにより、最適なパラメータを一意的に決定することができ、誤差および入力を最小にすることができ、応答も指定することができる。このため、目標値に対する追従性が良く、ダイナミック誤差も最小にすることができる。そして、本実施形態のような多チャンネル制御の場合でも、各チャンネル間で制御を非干渉化することができ、隣接するチャンネルからの影響を受けずに高精度の制御を行うことができ、各チャネル間の温度の均一性も高くすることができる。また、ＰＩＤ制御のようにオーバーシュートがなく、電源容量を考慮した最適な制御量とすることができるので、ＰＩＤ制御よりも２０％程度エネルギーをカットすることができる。さらに、ＩＬＱ制御はロバスト性が良好である。すなわち、制御対象モデルが一定範囲変動しても制御性能が保証される。

実際にハウジング部２の壁部を６チャンネルのゾーンに分けて本実施形態の温度制御と従来のＰＩＤ制御とを比較した。その結果、従来のＰＩＤ制御においては壁部全面に渡り±１５℃の均熱性であったが、本実施形態のＩＬＱ制御によれば、非干渉化制御をしつつ、±５℃の均熱性を達成することができた。

次に、本発明の他の実施形態に係る温度制御機構について説明する。
図６は、本発明の他の実施形態に係る温度制御機構が適用されたマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図である。本実施形態では、チャンバ１のハウジング部２の温度制御のために、上記６チャンネルのヒータユニット５１の他に４チャンネル（図６では２チャンネルのみ図示）のサブヒータユニット８１を含む温度制御機構９０を設けている。他の構成は図１と同じであるから図１と同じものには同じ
符号を付して説明を省略する。

従前の実施形態のようにチャンバ１のハウジング部２の壁部を複数ゾーンに分け、複数ゾーン毎に制御した場合であっても、ハウジング部２の温度制御の均一性が十分でない場合が生じる。本発明者の検討結果によれば、このような場合に、チャンバ１の空間内にハウジング部２の内壁に沿ってサブヒータユニット８１を設けることが有効であることが判明した。すなわち、ハウジング部２の内壁表面をサブヒータユニット８１で加熱することにより、ハウジング部２の壁部の温度をより均一にすることができる。

本実施形態における温度制御機構９０は、図７に示すように、従前の実施形態における６チャンネルのヒータユニット５１と、これらにそれぞれ給電する６チャンネルのヒータ電源５２と、各ゾーンの温度を計測する熱電対５３と、各ゾーンの温度を制御する６チャンネルのコントローラ５４の他、４チャンネルのサブヒータユニット８１と、これらにそれぞれ給電する４チャンネルのヒータ電源８２と、ハウジング部２壁部内面のこれらサブヒータユニット８１に対応する位置にそれぞれ設けられた４チャンネルの熱電対８３と、ハウジング部２壁部内面の温度を制御する４チャンネルのコントローラ８４とを有している。すなわち、温度制御機構９０は、合計で１０チャンネル分の温度制御を行うようになっている。
なお、図７は、ヒータユニット５１、ヒータ電源５２、熱電対５３、コントローラ５４およびメインコントロールユニット７０の図示を省略している。

このようにハウジング部２の壁部のヒータユニット５１の他に、チャンバ１内にさらにサブヒータユニット８１を近接して設けることは、従来のＰＩＤ制御の場合には相互干渉の問題により実質的に温度制御が困難であった。

これに対して、コントローラ５４、８４に上述したＩＬＱ制御器６２を用いることにより、非干渉化を実現することができ、サブヒータユニット８１を用いて、より高精度の制御を行うことができる。

また、このようにチャンバ１の空間内にヒータを設けることにより、イオン分布やプラズマの流れを制御してマイクロ波プラズマを調整する機能も発揮することができる。

次に、ＩＬＱ制御を用いてサセプタ上のウエハを昇温する実験を行った結果について説明する。ここでは３チャンネルのコントローラを用い、各コントローラについて上述のようなＩＬＱ制御器を用いて３００℃から６００℃までサセプタ（ウエハ）を昇温した。ＡｌＮ製サセプタのヒータは同心状に３ゾーンに分割されており、その際の温度応答およびヒータへのパワー入力を図８および図９にそれぞれ示す。図８に示すように、３チャンネルについて均一にかつ速やかに昇温し、しかもオーバーシュートが生じずに目標温度に到達していることが確認された。また、図９に示すように、パワーについても大きなパワーを入力している時間がわずかであり、エネルギー効率が高いことが確認され、しかも電源容量（図９においては１００％にて２ｋＷ）を考慮した最適な制御量で制御されるため、電源などのハードの故障も減少させることができる。さらに熱電対等のセンサーの1つが故障したとしても、系全体ではフィードバック制御が可能であり、このようにＩＬＱ制御を用いることにより、単に制御することのみに留まらず、システム全体の信頼性を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、マイクロ波プラズマ処理装置として構成される成膜装置に本発明を適用した場合について示したが、これに限るものではなく、温度制御が必要な処理装置であれば適用可能である。また、チャンバのハウジング部壁部の温度制御を行う場合について主に示したが、これに限らず、チャンバ壁部の他の部分や、チャンバ内外の他の部材の温度制御に適用可能である。例えば既述のシールド蓋体３４の温度制御において、チャンバ内にプラズマが発生していないときにはシールド蓋体をヒータで暖めておき、チャンバ内にプラズマが発生しているときにはシールド蓋体を冷却水にて冷却して、蓋体を一定の温度に制御したい要求がある。このようなときに、従来のＰＩＤ制御においては、制御系が発振してしまい、加熱、冷却制御を両立することができない。このような場合にＩＬＱ制御を適用すれば、制御系は発振することなく好適な加熱、冷却制御をすることができる。

さらに、上記実施形態ではチャンバのハウジング壁部について６チャンネルの制御を行った場合について説明したが、これに限るものではなく、任意のチャンネル数の制御を行うことができる。また、サブヒータユニットを４チャンネル設けて制御するようにしたが、サブヒータユニットのチャンネル数もこれに限るものではない。

さらに、複数のヒータユニットおよびサブヒータユニット毎に給電のための電源を設けたが、複数の給電部を有する電源を用いて各給電部からヒータユニットまたはサブヒータユニットに給電するようにしてもよい。

さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、これに限らず、ＦＰＤ用ガラス基板などの他の基板を被処理基板として用いるものであってもよい。

本発明の一実施形態に係る温度制御機構が適用されたマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図。 図１のプラズマ処理装置に用いられる平面アンテナの構造を示す図。 図１のプラズマ処理装置の温度制御機構を示す水平断面図。 図１のプラズマ処理装置の温度制御機構に用いられるコントローラを示すブロック図。 図４のコントローラのブロック線図。 本発明の他の実施形態の温度制御機構が適用されたマイクロ波プラズマ処理装置を示す概略断面図。 図２のプラズマ処理装置の温度制御機構を示す水平断面図。 本発明の温度制御機構を用いた場合の温度応答の一例を示すグラフ。 本発明の温度制御機構を用いた場合のヒータへのパワー入力を示すグラフ。

符号の説明

１；チャンバ
２；ハウジング部
３；チャンバウォール
４；支持部材
５；サセプタ
２０；処理ガス供給部
２１；シャワープレート
２４；排気装置
２７；アッパープレート（支持部材）
２８；透過板
３０；マイクロ波導入部
３１；平面アンテナ
３２；スロット孔
３３；遅波材
３７；導波管
３９；マイクロ波発生装置
４０；モード変換器
５０，９０；温度制御機構
５１；ヒータユニット
５３，８３；熱電対
５４，８４；コントローラ
５５；ゾーン（領域）
６２；ＩＬＱ制御器
７０；メインコントロールユニット
８１；サブヒータユニット
１００；プラズマ処理装置
Ｗ…半導体ウエハ（基板）

Claims (15)

1. 処理容器内に収容した基板に対して所定の処理を行う処理装置において、処理容器の所定部分またはその中の所定部材を制御対象として温度制御を行う温度制御機構であって、
   前記制御対象を加熱するヒータユニットと、
   前記ヒータユニットに給電する給電部と、
   前記制御対象の温度を測定する温度センサーと、
   前記温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、前記制御対象が所定の目標温度になるように、前記給電部を制御するコントローラと
   を具備することを特徴とする温度制御機構。
2. 処理容器内に基板を収容し、その中に成膜用の処理ガスを導入して基板に対して成膜処理を行う処理装置において、処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構であって、
   前記処理容器壁部を区画した複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータユニットと、
   前記複数のヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、
   前記複数の領域の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、
   前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラと
   を具備することを特徴とする温度制御機構。
3. 処理容器内に基板を収容し、その中に成膜用の処理ガスを導入して基板に対して成膜処理を行う処理装置において、処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構であって、
   前記処理容器壁部を区画した複数の領域に設けられ、これら領域をそれぞれ加熱する複数のメインヒータユニットと、
   前記処理容器の内部空間の壁部近傍位置に設けられ、前記処理容器壁部を加熱する複数のサブヒータユニットと、
   前記複数のメインヒータユニットおよび前記複数のサブヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、
   前記複数の領域の温度および前記サブヒータユニットにより加熱される前記処理容器壁部の複数の部分をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、
   前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域または部分が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラと
   を具備することを特徴とする温度制御機構。
4. 前記処理容器の複数の領域は、前記処理容器の周方向に配列されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の温度制御機構。
5. 前記コントローラは、目標温度を設定する設定器と、対応する前記温度センサーにより測定された温度が目標温度になるように制御信号を出力するＩＬＱ制御器とを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の温度制御機構。
6. 前記ＩＬＱ制御器は、状態観測器を有することを特徴とする請求項５に記載の温度制御機構。
7. 処理容器と、
   前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、
   前記処理容器内で基板に所定の処理を施すための機構と、
   処理容器の所定部分またはその中の所定部材を制御対象として温度制御を行う温度制御機構と
   を具備する処理装置であって、
   前記温度制御機構は、
   前記制御対象を加熱するヒータユニットと、
   前記ヒータユニットに給電する給電部と、
   前記制御対象の温度を測定する温度センサーと、
   前記温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、前記制御対象が所定の目標温度になるように、前記給電部を制御するコントローラと
   を有することを特徴とする処理装置。
8. 処理容器と、
   前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、
   前記処理容器内に成膜用の処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記基板支持台を加熱する加熱機構と、
   処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構と
   を具備し、基板に対して成膜処理を行う処理装置であって、
   前記温度制御機構は、
   前記処理容器壁部を区画した複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータユニットと、
   前記複数のヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、
   前記複数の領域の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、
   前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラと
   を有することを特徴とする処理装置。
9. 処理容器と、
   前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、
   前記処理容器内に成膜用の処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記基板支持台を加熱する加熱機構と、
   処理容器壁部の温度制御を行う温度制御機構と
   を具備し、基板に対して成膜処理を行う処理装置であって、
   前記温度制御機構は、
   前記処理容器壁部を区画した複数の領域に設けられ、これら領域をそれぞれ加熱する複数のメインヒータユニットと、
   前記処理容器の内部空間の壁部近傍位置に設けられ、前記処理容器壁部を加熱する複数のサブヒータユニットと、
   前記複数のメインヒータユニットおよび前記複数のサブヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、
   前記複数の領域の温度および前記サブヒータユニットにより加熱される前記処理容器壁部の複数の部分をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、
   前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域または部分が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラと
   を具備することを特徴とする処理装置。
10. 前記処理容器の複数の領域は、前記処理容器の周方向に配列されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の処理装置。
11. 前記処理容器内で処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成機構をさらに具備することを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の処理装置。
12. 前記プラズマ生成機構は、前記処理容器内にマイクロ波を導入して処理ガスをプラズマ化するものであることを特徴とする請求項１１に記載の処理装置。
13. 前記コントローラは、目標温度を設定する設定器と、対応する前記温度センサーにより測定された温度が目標温度になるように制御信号を出力するＩＬＱ制御器とを有することを特徴とする請求項７から請求項１２のいずれか１項に記載の処理装置。
14. 前記ＩＬＱ制御器は、状態観測器を有することを特徴とする請求項１３に記載の処理装置。
15. 処理容器と、
    前記処理容器内で基板を支持する基板支持台と、
    前記処理容器内に成膜用の処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記基板支持台の温度制御を行う温度制御機構と
    を具備し、基板に対して成膜処理を行う処理装置であって、
    前記温度制御機構は、
    前記基板支持台を区画した複数の領域をそれぞれ加熱する複数のヒータユニットと、
    前記複数のヒータユニットにそれぞれ給電する複数の給電部と、
    前記複数の領域の温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、
    前記各温度センサーの信号に基づいて、ＩＬＱ制御により、対応する領域が所定の目標温度になるように、対応する給電部を制御する複数のコントローラと
    を有することを特徴とする処理装置。

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