JP2010016225A - 温度調節機構および温度調節機構を用いた半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精密かつ高速に温度を制御して、温度調節機構に接する部分の温度の偏差を小さく保つことができる温度調節機構および温度調節機構を用いた半導体製造装置を提供する。
【解決手段】冷却ジャケット６は、冷却流路６１と、ヒートレーン６２とを備える。ヒートレーン６２は、受熱部６３と、放熱部６４と、その間を折り返しながら往復する環状の細管に２相凝縮性作動流体（以下、作動液と称する）を封入して構成される。放熱部６４は冷却流路６１で冷却される部分、受熱部６３は放熱部６４より温度が高い部分である。受熱部６３では熱を受け作動液が核沸騰により自励振動し、循環しながら顕熱を輸送する。また、受熱部６３では液相が熱を吸収し気相へ相が転移し、放熱部６４では気相が熱を放し冷却され凝縮し液相へ相が転移し、気液の相転移により潜熱を輸送する。受熱部６３と放熱部６４の間で熱の輸送が行われ、短時間で温度を均一にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度調節機構および温度調節機構を用いた半導体製造装置に関し、特に、半導体製造装置はプラズマ処理に関するものを含む。

半導体産業が発展するに従い、ウェハの大口径化や集積回路（ＩＣ）の高度化・複雑化・高集積化が求められている。半導体製造装置においては、コストメリットをより高いものにするために品質の安定化が求められ、例えば課題の１つとして、ウェハ面内の均一性の向上が挙げられる。

集積回路や液晶、太陽電池など多くの半導体デバイスの製造にプラズマ技術が広く用いられている。プラズマ技術は半導体製造過程の薄膜の堆積やエッチング工程などで利用されているが、より高性能かつ高機能な製品のために、例えば超微細加工技術など高度なプラズマ処理が求められる。特に、比較的圧力が低い高真空状態でも安定して高密度なプラズマをたてることができるマイクロ波プラズマ処理装置が使用されることが多い。しかしプラズマ処理装置は、マイクロ波を伝播する誘電体窓などが比較的高温になりやすく、安定してプラズマを発生させるために、温度制御が必要となる。

特許文献１には、ラジアルスロットラインアンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置において、シャワープレートの冷却効率を最適化し、同時にマイクロ波の励起効率を最適化することが記載されている。ラジアルラインスロットアンテナの放射面を、処理室外壁の一部を構成し、シャワープレートに密接したカバープレートに密接させ、さらにラジアルラインスロットアンテナ上に、処理室外壁中を厚さ方向に流れる熱流を吸収するように冷却器を設ける。

特許文献２には、半導体ウェハを均熱に加熱・冷却するための均熱板を、ペルチェ素子が熱移送器を通して冷却することで、小型、薄型化し、かつ、設定温度への応答を早くしかも精度よくできる半導体装置の昇降温装置が記載されている。熱移送器をヒートパイプ或はヒートレーンとすることにより、更に効率よく熱移送し、均熱化することができる。

特許文献３には、熱移送能力が極めて良好な細孔トンネル型ヒートパイプが記載されている。熱輸送原理として、作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動およびまたは循環による熱輸送）と、作動液の潜熱による熱輸送（作動液の蒸気移動時の蒸発および凝縮による熱輸送）とを利用している。
特開２００２−２９９３３０号公報 特開２００４−１３４４７５号公報 特開２００５−３３７６９１号公報

特許文献３の二相凝縮性作動液の、作動液の顕熱による熱輸送（作動液の振動およびまたは循環による熱輸送）と、作動液の潜熱による熱輸送（作動液の蒸気移動時の蒸発および凝縮による熱輸送）とを利用した熱輸送原理は知られている。

特許文献２の半導体装置の昇降温装置は、設定温度は主に室温付近を目的としており、プラズマ処理装置などの高い温度条件下について、記載がされていない。

特許文献１のプラズマ処理装置においては、誘電体窓（もしくはシャワープレート）の過熱を抑制するため、誘電体窓の周辺（例えば当該装置の上部）を熱媒体を用いて冷却する方法が採られていた。しかしこの方法では、循環流路の入口付近と出口付近とで熱媒体に温度差が生じた。特に被冷却対象物の面積が大きくなるにつれて、温度差が大きくなる傾向にあった。循環に用いる流路を密に形成し、もしくは流路を長く形成することにより、冷却の応答性や冷却能力を挙げることは可能になるが、温度の制御に限界があった。

さらに、当該プラズマ処理装置のプラズマ処理特性に影響するものは、こうした誘電体窓やシャワープレート等の板状部材の過熱に限られず、当該装置の処理特性を向上させるためには、これら板状部材の温度分布をより精密に制御することが重要であることが、発明者の実験等により分かってきた。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、精密かつ高速に温度を制御して、温度調節機構に接する部分の温度の偏差を小さく保つことができる温度調節機構および温度調節機構を用いた半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る温度調節機構は、
半導体製造工程の処理が可能な処理容器の、該処理容器の被処理対象物を収容する空間を囲む部材に接する温度調節機構であって、
前記被処理対象物を収容する空間の外面の方向に沿って配置される環状の細管と、
前記環状の細管に封入された気体と液体との２相凝縮性作動流体と、
を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記環状の細管は蛇行して設置され、
該環状の細管の少なくとも１部分に接して熱交換器を備える
ことを特徴とする。

好ましくは、前記熱交換器と前記被処理対象物を収容する空間との最小の距離は、少なくとも前記熱交換器の前記最小の距離の範囲における、前記環状の細管と前記被処理対象物を収容する空間との距離よりも大きい、ことを特徴とする。

好ましくは、前記被処理対象物を収容する空間を囲む部材に接する温度調節機構を複数の部分に分割した該部分ごとに、それぞれ独立の前記環状の細管を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記温度調節機構を複数の部分に分割した該部分ごとに、それぞれ独立に設定された温度で温度調節が可能であることを特徴とする。

さらに好ましくは、前記温度調節機構を複数の部分に分割した該部分ごとに、前記環状の細管に接して前記熱交換器を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記半導体製造工程の処理はプラズマ処理であって、
前記部材は、前記プラズマを前記処理容器に封止し、該プラズマを挟んで前記被処理対象物と対向する板状部材である
ことを特徴とする。

好ましくは、前記板状部材の、前記処理容器の外側に向かう面の側に、前記環状の細管を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記環状の細管を、前記板状部材の中心と外周との間を折り返して蛇行するように配置させ、
前記板状部材の周縁部近傍に前記熱交換器を備える
ことを特徴とする。

好ましくは、前記環状の細管を、前記板状部材の中心から外周に向かう線を横切って折り返して蛇行するように配置させ、
前記板状部材の中心から外周に向かう方向に沿って前記熱交換器を備える
ことを特徴とする。

さらに好ましくは、前記板状部材の主面の延長方向の周囲に、前記気体と液体との２相凝縮性作動流体を封入した環状の細管を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記半導体製造工程の処理はプラズマ処理であって、
前記部材は、該処理容器の被処理対象物を収容する空間にあって、前記プラズマ処理に用いるガスを該被処理対象物に向かって導入するシャワープレートであり、
該シャワープレートの内部に前記環状の細管と、前記プラズマ処理に用いるガスのガス通路を備える
ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る半導体製造装置は、
上記第１の観点にかかる温度調節機構を備えることを特徴とする。

本発明の温度調節機構および温度調節機構を用いた半導体製造装置によれば、精密かつ高速に温度を制御して、温度調節機構に接する部分の温度の偏差を小さく保つことができる。

（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。図１は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置であるプラズマ処理装置の構成概略図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る温度調節機構である冷却ジャケットの構成図である。図２では説明の為に、冷却ジャケットの一部分について（部分６０ａのみ）内部の様子を示す。

プラズマ処理装置１は、処理容器（チャンバ）２、誘電体窓３、アンテナ４、導波管５、冷却ジャケット６、基板保持台７、排気ポート８ａ、真空ポンプ８ｂ、高周波電源９、温度センサ１２、ガス源１３を備える。処理容器２は、排気ポート８ａと、真空ポンプ８ｂを備え、上部開口部を封止した処理容器２内を所定の圧力に保つことができる。

処理容器２の壁を構成する一部として、下部容器２ｂの上部に、保持リング２ａが組み付けられる。保持リング２ａは、処理容器２の天井側へ向かってリング径（内径）が拡大する同心円状の段差を有して構成され、誘電体窓３の側面を覆うように保持しながら、誘電体窓３の処理容器２側に向かう面を係止する。保持リング２ａおよび下部容器２ｂは、例えばアルミニウム（Ａｌ）などからなるものであり、その内壁面には、例えば酸化処理により酸化アルミニウム等からなる保護膜が形成されている。

誘電体窓３は、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などのマイクロ波を伝播する誘電体材料から形成され、保持リング２ａに周縁部を保持され、処理容器２の開口部を蓋することができる。誘電体窓３は、アッパープレート３ａ、シャワープレート３ｂを備える。シャワープレート３ｂは、多数のノズル開口部３ｃと、凹状の溝３ｄと、開口部につながる流路３ｅと、を備えており、アッパープレート３ａを組み付けることで連通する。このように連通した流路は、プラズマガスの流路として機能し、ガス源１３より誘電体窓３に導入したガスは誘電体窓３直下の空間Ｓ中に一様に供給される。

アンテナ４は導波部４ａ、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）４ｂ、遅波板４ｃからなる。遅波板４ｃは、導波部４ａとラジアルラインスロットアンテナ４ｂとの間にありマイクロ波波長を圧縮する。導波部４ａは冷却ジャケット６と一体となるようにシールド部材で構成され、遅波板４ｃはＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３などの誘電体材料から構成される。導波管５は外側導波管５ａと内側導波管５ｂからなる同軸導波管である。

誘電体窓３上には、アンテナ４が結合されている。より具体的には、アンテナ４のラジアルラインスロットアンテナ４ｂが、誘電体窓３のアッパープレート３ａに密接している。アンテナ４には、導波管５が接続されている。導波部４ａは外側導波管５ａに接続され、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂは内側導波管５ｂに結合される。

アンテナ４の上には、誘電体窓３の温度調節を補助する冷却ジャケット６が設けられている。冷却ジャケット６は、アンテナ４の導波部４ａと一体となるように形成されることで、効率よく伝熱することができる。冷却ジャケット６は、誘電体窓３に向かう面を、面積が等しい同じ形の４つの扇形に分割されている（冷却ジャケット６の分割した扇形の部分６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ）。また、アンテナ４近傍、もしくは導波管５の周囲には、必要な数だけの温度センサ１２が設けられている。温度センサ１２は、アンテナ４等の温度を検出するものであり、例えばファイバセンサ等からなる。

冷却ジャケット６は、冷却流路６１と、ヒートレーン６２とを備える。冷却流路６１は冷却ジャケット６の周縁部に備えられ、ヒートレーン６２は、冷却ジャケット６の中心部と周縁部の間を蛇行して備えられる。

冷却流路６１は、冷却流路６１の内部に熱媒体を流すことで冷却ジャケット６を冷却することができる。図中の太矢印は、冷却流路６１内を流れる熱媒体の流れ方向を示す。例えば誘電体窓３の上方を冷却したい温度に合わせて、予めチラー（図示せず）の温度を設定しておき、チラーから所定の温度の熱媒体を供給する。熱媒体で熱を奪うことで冷却ジャケット６を冷却し、冷却ジャケット６に対向した誘電体窓３を冷却することができる。熱媒体は、チラーから供給され、流路入口６１ａより入り、冷却流路６１を介して流路出口６１ｂから排出し、再度チラーに戻される。冷却に用いる熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、またはエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体を用いることができる。

ヒートレーン６２は、受熱部（蒸発部）６３と、放熱部（凝縮部）６４と、受熱部６３と放熱部６４の間を交互に、何度も折り返すように往復する環状の細管に、２相凝縮性作動流体（以下、作動液と称する）を封入して構成される。環状とは、間断なく管が形成された様子を意味し、ヒートレーン６２の内部に封入した流体がとぎれることなく循環できることを示す。このときヒートレーン６２の中の作動液は、目的の温度範囲で作動流体が液相から気相に相転移する圧力で封入される。

放熱部６４は、冷却ジャケット６の周縁部の冷却流路６１で冷却される部分で、図中の１点鎖線囲み部分を示す。受熱部６３は、放熱部６４と離れた位置、ここでは冷却ジャケット６の中心部付近に設定され、図中の点線囲み部分を示す。ヒートレーン６２に備えた熱交換器が冷却を行う冷却流路６１であるため、熱交換器のある部分を放熱部６４としたが、熱交換器が加熱するタイプの場合は、熱交換器がある部分が受熱部６３となる。図中では、分かりやすく説明するために受熱部６３および放熱部６４を線で囲み、示している。実際は、ヒートレーン６２の冷却される部分であって、温度の低い部分が放熱部６４として機能し、放熱部６４と比較して温度が高い部分が受熱部６３として機能する。

受熱部６３では熱を受け作動液が核沸騰し、作動液が自励振動し、循環しながら顕熱を輸送する。図中の細矢印は作動液の循環する様子を表し、実線の矢印は受熱部６３から放熱部６４へ、点線の矢印は放熱部６４から受熱部６３への移動を示す。また、受熱部６３では作動液が熱を吸収し液相から気相への相転移が起こり、放熱部６４では熱を放し冷却され気相が凝縮し気相から液相への相転移が起こり、これら気液の相転移により、潜熱を輸送する。このようにヒートレーン６２は、顕熱輸送と潜熱輸送により、受熱部６３と放熱部６４の間で熱の輸送が行われる。さらに、ヒートレーン６２は、受熱部６３と放熱部６４との間に限らず、温度差があればその間で常に熱輸送が行われるので、温度差が小さくなり、短時間で温度を均一にすることが可能となる。

ヒートレーン６２は、冷却ジャケット６内を、誘電体窓３の中心と外周との間を折り返して蛇行するように、かつ、どの部分においても、受熱部６３から放熱部６４までの距離が等しくなるように形成される。そのため、冷却ジャケット６の中心部と周縁部の温度分布は等しく、また、どの径方向においても温度分布は等しくなるので、冷却ジャケット６内の温度分布を均一にすることができる。

冷却ジャケット６は、プラズマ形成時において、導波管５付近が最も温度が高く、周縁部分に向かうにつれ温度が低くなることから、ヒートレーン６２の受熱部６３は温度が高い部分に置かれることになる。ヒートレーン６２により、受熱部６３と放熱部６４の間の温度が均一になるように熱輸送が行われるが、同時に、受熱部６３で受け取った熱が放熱部６４に蓄積されていく。冷却ジャケット６に備えられた冷却流路６１で、放熱部６４に蓄積された熱を奪い、ヒートレーン６２の熱の蓄積を防止することができる。さらに、冷却流路６１により奪う熱量を蓄積された熱量より多くすることで、冷却ジャケット６を冷却することができる。このように、ヒートレーン６２を備えた冷却ジャケット６は、その面内において、所定の温度で冷却を行いながら、短時間で温度分布を均一にすることができる。

また、冷却ジャケット６は、誘電体窓３に向かう面を、面積が等しい同じ形の４つの扇形に分割されている。この分割した扇形の部分６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ（以下部分６０ｎと称する）毎に、温度調節を行うことも可能である。複数の温度センサ１２で検出したアンテナ４の温度に合わせて、部分６０ｎに備えている冷却流路６１を制御し、所定の温度に設定した熱媒体を流すことで、冷却ジャケット６の部分６０ｎを所望の温度に冷却することができる。熱媒体の温度調節は、例えばチラーに備えた温度調節手段をもって行い、流路入口６１ａから所定の温度で冷却流路６１へ熱媒体を供給する。冷却ジャケット６の部分６０ｎは、分割した部分毎に所定の温度に制御でき、かつ、ヒートレーン６２でその部分６０ｎにおける温度分布を均一化できる。

以下、簡単に、プラズマ処理の方法について説明する。プラズマ処理装置１の処理容器２は誘電体窓３により塞がれている。このとき処理容器２内は、排気ポート８ａおよび真空ポンプ８ｂで排気、減圧し、真空状態にする。

マイクロ波源から導波管５を通してマイクロ波を供給する。マイクロ波は導波部４ａとラジアルラインスロットアンテナ４ｂとの間を径方向に伝播し、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂのスロットより放射される。

処理容器２内にマイクロ波が給電されプラズマを生成するときに、アルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ）、および窒素（Ｎ_２）などの不活性ガスと、必要に応じて水素などのプロセスガスを、ガス源１３よりガス流路へ供給する。ガスは誘電体窓３直下へ均一に放射し、処理容器２内へ導入する。高周波電源９に電圧を印加し、空間Ｓに形成されたアルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ）プラズマを誘導し、基板保持台７に設置した被処理基板Ｗにプラズマ処理を施すことができる。例えば被処理基板Ｗ上に絶縁膜などの成膜、いわゆるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を行う。被処理基板Ｗを搬入しプラズマ処理後に搬出するという一連の流れを繰り返し、所定枚数の基板に対して所定の基板処理を行う。

プラズマを形成する際の発熱により誘電体窓３付近は高温になり、かつ、誘電体窓３自体に熱が蓄積するので温度分布が生じやすい。冷却ジャケット６に備えた冷却流路６１により、誘電体窓３を冷却することができる。冷却ジャケット６は、プラズマ処理装置１における発熱部位付近のアンテナ４上に設置でき、誘電体窓３に蓄積された熱を、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂを介して吸収し、効率よく冷却でき、装置内の他の部分へ温度影響を与えにくい。

導波管５付近に位置する誘電体窓３の中心部と、周縁部とにおいても、温度分布が生じやすい。ヒートレーン６２により、冷却ジャケット６の中心部と周縁部の温度差を、短時間で解消できる。さらに、どの径方向においてもヒートレーン６２が同じ長さで備えられていることで、冷却ジャケット６の面内の温度分布を均一にすることができる。従って、冷却ジャケット６に対向する誘電体窓３を短時間で所定の温度に保ち、かつ、温度分布を均一にすることが可能となり、安定してプラズマを形成することができる。

さらに、被処理基板Ｗにプラズマ処理を施すとき、プラズマモードに合わせた温度調節を行うことで、より安定してプラズマを形成することが可能となる。冷却ジャケット６の誘電体窓３に向かう面を分割した部分６０ｎの、冷却流路６１を流れる熱媒体の温度を設定することができる。部分６０ｎ毎に、所定の温度に冷却し、かつ、ヒートレーン６２でその部分６０ｎ内の温度分布を均一にすることで、プラズマ形成の好適条件を保つことが可能となる。

（実施の形態１の変形例）
図３は、本発明の実施の形態１に係る温度調節機構である冷却ジャケットの構成図である。図３では説明の為に、冷却ジャケットの一部分について（部分６５ａのみ）内部の様子を示す。冷却ジャケット６を備える半導体製造装置は、図１に示すプラズマ処理装置１を用いており、冷却ジャケット６の構造以外は、実施の形態１に示した通りである。

冷却ジャケット６は、誘電体窓３に向かう面を、面積が等しい同じ形の３つの扇形に分割されている（冷却ジャケット６の分割した扇形の部分６５ａ、６５ｂ、６５ｃ）。図３では、説明の為に、部分６５ａのみ内部の様子を示す。

冷却ジャケット６は、分割した部分ごとに、冷却流路６６と、ヒートレーン６７ａ、６７ｂとを備える。冷却流路６６は、分割した扇形の部分６５ａを真ん中から区切るように、中心と外周を結ぶ線上に備えられる。その冷却流路６６を挟んで鏡面対称となるように、ヒートレーン６７ａ、６７ｂは形成される。以下、ヒートレーン６７ａとヒートレーン６７ｂは鏡面対称の関係であり、機能などは等しいので、ヒートレーン６７ｂの説明を省略する。ヒートレーン６７ａは、分割した部分６５ａ内で、扇形の円弧に沿って、折り返す度にその円弧の径を大きくしながら、連続した１つの環状に形成される。ヒートレーン６７ａは、円弧に沿って曲線とは限らず、中心から外周に向かう線を横切るように直線に形成されてもよく、分割した部分６５ａ内で密になるように形成される。

冷却流路６６は、その内部に熱媒体を流すことで冷却ジャケット６を冷却することができる。図中の太矢印は、冷却流路６６内を流れる熱媒体の流れ方向を示す。高温となりやすい導波管５付近の流路入口６６ａから冷却流路６６内部に熱媒体を供給し、比較的低温である誘電体窓３周縁部近傍の流路出口６６ｂから熱媒体を排出することで、効率よく誘電体窓３近傍を冷却することができる。熱媒体は、予めチラーの温度を設定しておき、チラーを起点・終点として熱媒体を冷却流路６６内に循環させることで、所定の温度に誘電体窓３を冷却することができる。冷却に用いる熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、またはエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体を用いることができる。

ヒートレーン６７ａは、受熱部（蒸発部）６８ａと、放熱部（凝縮部）６９と、受熱部６８ａと放熱部６９の間を交互に、何度も折り返すように往復する環状の細管に２相凝縮性作動流体（以下、作動液と称する）を封入して構成される。環状とは、間断なく管が形成された様子を意味し、ヒートレーン６７ａの内部に封入した流体がとぎれることなく循環できることを示す。このときヒートレーン６７ａの中の作動液は、目的の温度範囲で作動流体が液相から気相に相転移する圧力で封入される。

放熱部６９は、冷却ジャケット６の中心から外周に向かう線上に備えた冷却流路６６で冷却される部分で、図中の１点鎖線囲み部分を示す。受熱部６８ａは、放熱部６９と離れた位置、ここでは冷却ジャケット６の分割した部分６５ａの扇形の一端に設定され、図中の点線囲み部分を示す。ヒートレーン６７ａに備えた熱交換器が冷却を行う冷却流路６６であるため、熱交換器のある部分を放熱部６９としたが、熱交換器が加熱するタイプの場合は、熱交換器がある部分が受熱部６８ａとなる。図中では、分かりやすく説明するために受熱部６８ａおよび放熱部６９を線で囲み、示している。実際は、ヒートレーン６７ａの冷却される部分であって、温度の低い部分が放熱部６９として機能し、放熱部６９と比較して温度が高い部分が受熱部６８ａとして機能する。

受熱部６８ａでは熱を受け作動液が核沸騰し、作動液が自励振動し、循環しながら顕熱を輸送する。図中の細矢印は作動液の循環する様子を表し、実線の矢印は受熱部６８ａから放熱部６９へ、点線の矢印は放熱部６９から受熱部６８ａへの移動を示す。また、受熱部６８ａでは作動液が熱を吸収し液相から気相への相転移が起こり、放熱部６９では熱を放し冷却され気相が凝縮し気相から液相への相転移が起こり、これら気液の相転移により、潜熱を輸送する。このようにヒートレーン６７ａは、顕熱輸送と潜熱輸送により、受熱部６８ａと放熱部６９の間で熱の輸送が行われる。さらに、ヒートレーン６７ａは、受熱部６８ａと放熱部６９との間に限らず、温度差があればその間で常に熱輸送が行われるので、温度差が小さくなり、短時間で温度を均一にすることが可能となる。

また、受熱部６８ａで受け取った熱は、熱輸送により放熱部６９へ運ばれ、放熱部６９に熱が蓄積されていくが、冷却流路６６の熱媒体を用いて、この蓄積される熱を奪い、冷却ジャケット６の冷却を行う。そのため、ヒートレーン６７ａを備えた冷却ジャケット６は、その面内において、所定の温度で冷却を行いながら、短時間で温度分布を均一にすることができる。

また、冷却ジャケット６は、誘電体窓３に向かう面を、面積が等しい同じ形の３つの扇形に分割されている。この分割した扇形の部分６５ａ、６５ｂ、６５ｃそれぞれの温度調節を行うことも可能である。部分６５ａ、６５ｂ、６５ｃに備えている冷却流路６６の中を、所定の温度に設定した熱媒体を流すことで、分割した部分毎に所望の温度に冷却することができる。熱媒体の温度は、チラーによる温度調節をもって行い、流路入口６６ａから所定の温度で冷却流路６６へ熱媒体を供給する。冷却ジャケット６は、短時間で、分割した部分６５ａ、６５ｂ、６５ｃそれぞれを所定の温度に制御でき、かつ、ヒートレーン６７でその部分における温度分布を均一化できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる温度調節機構である保持リングの構成図である。図４（ａ）は誘電体窓３側から見た平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の囲み部分Ｋの内部の様子を示す図、図４（ｃ）は保持リング２ａの一部分について（複数に分割した部分の部分２０ａのみ）の斜視図を示す。保持リング２ａを備える半導体製造装置は、図１に示すプラズマ処理装置１を用いており、基本的な構造は、実施の形態１と同じである。

誘電体窓３を係止する保持リング２ａは、誘電体窓３の円周部分を３等分するように分割した部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃ毎に、ヒートレーン２１ａ、２１ｂと、冷却流路２４とを備え、誘電体窓３を側方より冷却することができる。ヒートレーン２１ａ、２１ｂは、冷却流路２４を中心に対称に配置される。冷却流路２４は、その内部に熱媒体を流すことで、保持リング２ａの熱を奪い冷却を行う。具体的には、チラーから供給された熱媒体は、流路入口２４ａから入り、保持リング２ａ内に設けられた冷却流路２４を介して、流路出口２４ｂから排出され、再度チラーに戻される。冷却流路２４を通るときに、熱媒体で保持リング２ａの熱を奪い、冷却を行う。予めチラーの温度を設定しておくことで、所定の温度で保持リング２ａを冷却することができる。冷却に用いる熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、またはエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体を用いることができる。

ヒートレーン２１ａは、分割した部分２０ａに、受熱部（蒸発部）２２ａと、放熱部（凝縮部）２３と、受熱部２２ａと放熱部２３の間を交互に、誘電体窓３の外周を周方向に何度も折り返すように往復する環状の細管に２相凝縮性作動流体（以下、作動液と称する）を封入して構成される。環状の細管とは、間断なく管が形成され、ヒートレーン２１ａに所定の圧力で封入した作動液が循環できる細管を意味する。ヒートレーン２１ａに作動液を封入するときの圧力は、目的の温度範囲で作動流体が液相から気相へ相転移可能な圧力とする。

放熱部２３は、保持リング２ａの冷却流路２４で冷却される部分で、部分２０ａの一端にあり、図中の１点鎖線囲み部分を示す。受熱部２２ａは、部分２０ａの放熱部２３に対向する他端に設定され、図中の点線囲み部分を示す。保持リング２ａの部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃ毎に、冷却流路２４を中心として、左右対称に、ヒートレーン２１ａ、２１ｂが形成される。放熱部２３を共用し、その両端に、各々のヒートレーン２１ａ、２１ｂに対応する受熱部２２ａ、２２ｂが備えられる。図中では、分かりやすく説明するために受熱部２２ａおよび放熱部２３を線で囲み、示している。実際は、ヒートレーン２１の冷却される部分であって、温度の低い部分が放熱部２３として機能し、放熱部２３と比較して温度が高い部分が受熱部２２として機能する。

受熱部２２ａでは熱を受け作動液が核沸騰し、作動液が自励振動し、循環しながら顕熱を輸送する。図中の細矢印は作動液の循環する様子を表し、実線の矢印は受熱部２２ａから放熱部２３へ、点線の矢印は放熱部２３から受熱部２２ａへの移動を示す。また、受熱部２２ａでは作動液が熱を吸収し液相から気相への相転移が起こり、放熱部２３では熱を放し冷却され気相が凝縮し気相から液相への相転移が起こり、これら気液の相転移により、潜熱を輸送する。このようにヒートレーン２１ａは、顕熱輸送と潜熱輸送により、受熱部２２ａと放熱部２３の間で熱の輸送が行われる。さらに、ヒートレーン２１ａは、受熱部２２ａと放熱部２３との間に限らず、温度差があればその間で常に熱輸送が行われるので、温度差が小さくなり、短時間で温度を均一にすることが可能となる。

同時に、ヒートレーン２１ａの受熱部２２ａで受けた熱を放熱部２３へ輸送し、放熱部２３に熱が蓄積されていく。保持リング２ａに備えられた冷却流路２４により、放熱部２３に蓄積された熱を奪い熱の上昇を防止し、さらに所定の熱量を奪うことで、所望の温度に冷却することができる。

ヒートレーン２１ｂにおいても、ヒートレーン２１ａと同様に熱輸送が行われ、温度分布が均一となり、また、ヒートレーン２１ｂが備えられた部分の冷却が可能である。さらに、保持リング２ａの部分２０ａだけでなく、部分２０ｂ、２０ｃ毎においても同様であり、その結果、保持リング２ａは、ヒートレーン２１および冷却流路２４を備えることで、誘電体窓３を側方から所定の温度に冷却し、かつ、温度分布を均一に保つことが可能となる。

また、保持リング２ａは、プラズマで発生する熱を空間Ｓの側方に伝えて冷却する。このとき発生する保持リング２ａ内での温度差は、プラズマを発生する空間Ｓに直接触れる部分の、ヒートレーン２１ａ、２１ｂではきわめて小さく、プロセス処理（プラズマ発生のための条件など）に温度の影響をほとんど与えない。保持リング２ａの温度差は主に、ヒートレーン２１ａ、２１ｂと冷却流路２４との間で発生し、特に放熱部２３である冷却流路２４付近で発生するが、冷却流路２４を保持リング２ａから外側に突出させた部分に配置することで、空間Ｓに直接触れることがない。そのため、プロセス処理を行う空間Ｓに温度の影響を与えることなく、保持リング２ａの内面をほぼ均一な温度に保つことができる。

さらに、保持リング２ａは、誘電体窓３の円周部分を３等分するように分割した部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃから構成されており、その部分毎にヒートレーン２１ａ、ｂおよび冷却流路２４を備え、各々の冷却流路２４は流路入口２４ａと流路出口２４ｂを備える。流路入口２４ａに入る前の熱媒体の温度を、チラーで個別に温度を制御することで、部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃ毎に冷却する温度を変えることができる。部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃ毎に温度設定は異なるが、その部分２０ａ、２０ｂ、２０ｃに冷却される面内の温度分布はヒートレーン２１部分２０ａ、ｂにより均一化される。温度分布を均一にし、部分ごとに所定の温度に設定することで、プラズマモードを保つためにより最適な温度条件を保つことができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置であるプラズマ処理装置の変形例を示す構成概略図である。図６（ａ）は、本発明の実施の形態３に係る温度調節機構である下段シャワープレートの構成図であり、図５に示すプラズマ処理装置５１に備えた下段シャワープレート１０を処理容器２側から見た平面図を示す。図６（ｂ）は図６（ａ）の部分拡大図で、誘電体窓３から見た図である。図６（ｃ）は図６（ａ）のＭ−Ｍ線断面図、図６（ｄ）は図６（ａ）のＮ−Ｎ線断面図を示す。

プラズマ処理装置５１の構成は、実施の形態１で示したプラズマ処理装置１とほとんど同じである。処理容器２の保持リング２ａと下部容器２ｂとの間に、処理ガス供給構造体である下段シャワープレート１０を備える。処理容器２内の空間Ｓを、下段シャワープレート１０で区切り、下部空間を空間Ｓ１、上部空間を空間Ｓ２とする。

下段シャワープレート１０は、フレーム１００、開口部１０１、ガス供給ポート１０２、ガス通路１０３、複数のガス噴射口１０４、ヒートレーン１０５を備える。フレーム１００は、円板の形状でその内部が格子状で形成される。フレーム１００は内部にガス通路１０３、ヒートレーン１０５を備え、内部の被処理基板Ｗ側（すなわち空間Ｓ１側）にガス通路１０３が、誘電体窓３側（すなわち空間Ｓ２側）にヒートレーン１０５が形成される。

下段シャワープレート１０のフレーム１００の格子でできた空間の開口部１０１から、空間Ｓ１で形成されたプラズマやプラズマ中に含まれる処理ガスを通過させることができる。ガス供給ポート１０２、ガス通路１０３、複数のガス噴射口１０４は連通しており、処理ガス源１４から供給されたガスを、下段シャワープレート１０を介して空間Ｓ１に放出し、被処理基板Ｗに対応する範囲全域に均一に分布する役割を有する。

下段シャワープレート１０は、処理容器２の保持リング２ａと下部容器２ｂとの間に備えられており、下段シャワープレート１０の周縁部分（ガス通路周縁部１０３ｂより外側）は、処理容器２の壁に組み込まれる。プラズマを形成するときに発生する熱が下段シャワープレート１０に蓄積するのを防止するために、周縁部分に冷却流路１０６を備える。冷却流路１０６は、その内部に熱媒体を流すことで、下段シャワープレート１０の熱を奪い冷却を行う。具体的には、チラーから供給された熱媒体は、流路入口１０６ａから入り、冷却流路１０６を介して、流路出口１０６ｂから排出され、再度チラーに戻される。冷却流路１０６を通るときに、熱媒体で下段シャワープレート１０の周縁部分から熱を奪い冷却を行う。予めチラーの温度を設定しておくことで、所定の温度で保持リング２ａを冷却することができる。冷却に用いる熱媒体としては、例えばシリコンオイル、フッ素系液体、またはエチレングリコールなどの液体の熱交換媒体を用いることができる。冷却流路１０６を周縁部分に備えることで、直接、空間Ｓ１やＳ２に触れることがなく、プラズマの形成条件（ここでは温度条件）に影響することなく、冷却することが可能となる。

ヒートレーン１０５は、フレーム１００の格子状部分に受熱部（蒸発部）１００ａを、フレーム１００の周縁部分に放熱部（凝縮部）１００ｂを備え、それらの間を交互に通る環状の細管に、２相凝縮性作動流体（以下、作動液と称する）を封入して構成される。このヒートレーン１０５は、１つ、もしくは複数の間断ない環状の細管から形成され、それぞれの細管で作動液が循環する。このときヒートレーン１０５の中の作動液は、目的の温度範囲で作動流体が液相から気相に相転移する圧力で封入される。

放熱部１００ｂは、冷却流路１０６で冷却される部分で、フレーム１００の周縁部分（ガス通路周縁部１０３ｂより外側）にある。受熱部１００ａは、空間Ｓ１に触れる部分の、フレーム１００の格子部分である。冷却流路１０６を備えない場合であっても、フレーム１００の周縁部分は、処理容器２の外部空間に近く、また、プラズマを形成するときに発生する熱などに直接触れることがなく中心の格子状部分より温度が低いので、フレーム１００の周縁部分は放熱部１００ｂ、格子状部分は受熱部１００ａとなる。

ヒートレーン１０５の受熱部１００ａでは熱を受け作動液が核沸騰し、作動液が自励振動し、循環しながら顕熱を輸送する。また、受熱部１００ａでは作動液が熱を吸収し液相から気相への相転移が起こり、放熱部１００ｂでは熱を放し冷却され気相が凝縮し気相から液相への相転移が起こり、これら気液の相転移により、潜熱を輸送する。このように顕熱輸送と潜熱輸送により、受熱部１００ａと放熱部１００ｂの間で熱の輸送が行われる。さらに、ヒートレーン１０５は、受熱部１００ａと放熱部１００ｂとの間に限らず、温度差があればその間で常に熱輸送が行われるので、温度差が小さくなり、短時間で温度を均一にすることが可能となる。

下段シャワープレート１０の温度差は主に、ヒートレーン１０５と、冷却流路１０６との間、すなわち、フレーム１００の周縁部分にあるヒートレーン１０５付近で発生する。また、ヒートレーン１０５内、すなわち、フレーム１００の格子状部分内での温度差は小さい。フレーム１００は、格子状部分において空間Ｓ１、Ｓ２に触れるため、温度差が発生すると、プロセス処理（プラズマ発生のための条件など）に温度の影響を与えるおそれがある。しかし、主に、冷却流路１０６を備えるフレーム１００の周縁部分において温度差は発生する。そのため、プロセス処理を行う空間Ｓ１、Ｓ２に温度の影響を与えることなく、フレーム１００の格子状部分をほぼ均一な温度に保つことができる。

したがって温度差が解消し、下段シャワープレート１０の被処理基板Ｗに対する面内の温度分布を短時間で均一にすることが可能である。さらに、受熱部１００ａで受け取った熱は、熱輸送により放熱部１００ｂへ運ばれ蓄積されていくが、冷却流路１０６の熱媒体を用いてこの蓄積される熱を奪い、下段シャワープレート１０の冷却を行う。そのため、ヒートレーン１０５を備えた下段シャワープレート１０は、その面内において、所定の温度で冷却を行いながら、短時間で温度分布を均一にすることができる。

以下、簡単に、プラズマ処理の方法について説明する。プラズマ処理装置５１の処理容器２は誘電体窓３により塞がれている。このとき処理容器２内は、排気ポート８ａおよび真空ポンプ８ｂで排気、減圧し、真空状態にする。

マイクロ波源から導波管５を通してマイクロ波を供給する。マイクロ波は導波部４ａとラジアルラインスロットアンテナ４ｂとの間を径方向に伝播し、ラジアルラインスロットアンテナ４ｂのスロットより放射される。

マイクロ波によりプラズマ化する際に、ガス源１３より誘電体窓３を介して、アルゴン（Ａｒ）またはキセノン（Ｘｅ）などのプラズマガスを空間Ｓ２に供給する。空間Ｓ２で形成されたプラズマやプラズマ中に含まれる処理ガスは、下段シャワープレート１０の開口部１０１から空間Ｓ１へ通過する。

処理ガス源１４より下段シャワープレート１０を介して、解離しやすいフルオロカーボンガス（Ｃ_５Ｆ_８）やエッチングガスなどの処理ガスを、空間Ｓ１の被処理基板Ｗに対応する範囲全域に均一に分布する。プラズマのマイクロ波励起は空間Ｓ２においてのみ生じるようになり、被処理基板Ｗの表面を含む空間Ｓ１においては空間Ｓ２から拡散してきたプラズマにより処理ガスが活性化され、基板保持台７に設置した被処理基板Ｗにプラズマ処理を施すことができる。また、プラズマ着火時に被処理基板Ｗが直接マイクロ波に曝されなくなるので、不良率を低減できる。プラズマ処理とは例えば被処理基板Ｗ上に絶縁膜などの成膜、いわゆるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を行う。被処理基板Ｗを搬入しプラズマ処理後に搬出するという一連の流れを繰り返し、所定枚数の基板に対して所定の基板処理を行う。

プラズマを形成する際、誘電体窓３および誘電体窓３付近は高温になり、Ａｌなどの材料、もしくはセラミックなどの材料からなる下段シャワープレート１０も高温となり、また、熱が蓄積するので温度分布が生じやすい。プラズマを形成する空間Ｓ１付近に温度分布が生じると、プラズマの形成を不安定にさせる要因となる。下段シャワープレート１０に備えられたヒートレーン１０５により、短時間で温度分布を均一にすることができ、かつ、冷却により所定の温度に維持することができるので、プラズマの形成の好適条件を保つことが可能である。

実施の形態１または実施の形態２に示したプラズマ処理装置１の誘電体窓３は、板状部材であり、プラズマ処理容器の天井部分を覆い、処理容器を封止することができる。また、誘電体窓３は誘電体材料から成り、マイクロ波を伝播することが可能なだけでなく、ガスを連通することができる通路を備え、処理容器の内部にプラズマ処理に用いるガスを放射するシャワープレートとして機能してもよい。

実施の形態３に示したプラズマ処理装置５１の下段シャワープレート１０は、雰囲気を遮断することなく空間を区切ることができれば、開口部は格子状とは限らず、円やひし形などであってもよい。下段シャワープレート１０の内部の、被処理対象物側の面内にプラズマガスのガス通路を備え、ガス通路に近接しながら被処理対象物の外側の面内に、温度調節機構である作動液を封入した細管を備えることが望ましい。下段シャワープレート１０を備えることで、プラズマ雰囲気を被処理対象物に晒すおそれがなく、解離しやすいプラズマガスであっても効率よく噴射でき、プラズマ側の温度分布を均一にし、プラズマ形成の好適条件を保つことができる。実施の形態３においては、下段シャワープレート１０のみに温度調節機構を備えているが、実施の形態１または２で示した温度調節機構と組み合わせて備えてもよい。

なお、実施の形態で説明したプラズマ処理装置および温度調節機構は一例であり、これらに限定されるものではない。温度調節機構（冷却ジャケット、保持リング、シャワープレートなど）を幾つかの部分に分割する場合の分割する数や面積の配分についてや、各々に備えるヒートレーンの形状や配置の仕方および冷却流路の備え方など、任意に設定できる。冷却流路を中心として、その左右に、対称にヒートレーンを備えている場合だけでなく、片側のみにヒートレーンを備えてもよく、また、左右対称でなくてもよく、ヒートレーンの形状や往復する長さが等しくなくても構わない。ヒートレーンの中で温度が低い部分が放熱部として、放熱部と比較して温度が高い部分が受熱部として機能するため、ヒートレーンに備える受熱部と放熱部の位置についても、ヒートレーンに備える熱交換器の位置や、設定する温度の高低により任意に設定できる。

また、実施の形態で説明した温度調節機構を組み合わせて用いたり、誘電体窓や基板保持台などにヒートレーンを用いた温度調節機構を備えてもよい。また、上述したヒートレーンを備えた温度調節機構とは別に、温度調節ができる加熱冷却装置を備えてもよい。加熱冷却装置により、短時間で所定の温度へ調節ができるようになり、また、所定の温度のレンジ幅を広くできる。別途備えた加熱冷却装置とヒートレーンを用いた温度調節機構を組み合わせて使用することで、短時間で所定の温度にし、かつ温度分布を均一にできる。

また、プラズマ処理装置の構造、プラズマ処理方法、プラズマ処理に用いられるガス、処理を施す基板、温度調節冷却手段などについても、任意に選択し、設定することが可能である。プラズマ処理装置に限らずに、半導体の製造における他の工程で使用する装置にヒートレーンを用いた温度調節機構を備えてもよい。温度分布により不具合が生じやすい工程を含む場合や、より品質の安定した製品を求められている場合など、短時間で温度分布を均一にすることが求められる半導体の製造において特に有用である。半導体製造装置の例として、ウェーハ上に薄い酸化膜を形成する際に用いる熱処理成膜装置や、感光剤（フォトレジスト）の塗布と現像を行う装置などが挙げられる。プラズマ処理を施す処理ユニットを備えた幾つかの処理ユニットからなる半導体製造装置でもかまわない。ヒートレーンを用いた温度調節機構を用いる装置は上述した実施の形態の例に限らず、任意に選択することができ、様々な実施の形態が可能である。

本発明の実施の形態に係る半導体製造装置であるプラズマ処理装置を示す構成概略図である。 本発明の実施の形態１に係る温度調節機構である冷却ジャケットの構成図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却ジャケットの変形例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係る温度調節機構である保持リングの構成図である。（ａ）は誘電体窓側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）の囲み部分Ｋの内部の様子を示す図、（ｃ）は保持リングを複数に分割した部分の一部分についての斜視図を示す。 本発明の実施の形態３に係るプラズマ処理装置の変形例を示す構成概略図である。 本発明の実施の形態３に係る温度調節機構である下段シャワープレートの構成図である。（ａ）は処理容器側から見た平面図である。（ｂ）は（ａ）の一部分を誘電体窓側から見た拡大図、（ｃ）は（ａ）のＭ−Ｍ線断面図、（ｄ）は（ａ）のＮ−Ｎ線断面図を示す。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ 処理容器（チャンバ）
２ａ 保持リング
３ 誘電体窓
４ アンテナ
５ 導波管
６ 冷却ジャケット
１０ 下段シャワープレート
２１、６２、６７、１０５ ヒートレーン
２２ａ、２２ｂ、６３、
６８、１００ａ 受熱部（蒸発部）
２３、６４、６９、１００ｂ 放熱部（凝縮部）
２４、６１、６６、１０６ 冷却流路
Ｗ 被処理基板

Claims (13)

1. 半導体製造工程の処理が可能な処理容器の、該処理容器の被処理対象物を収容する空間を囲む部材に接する温度調節機構であって、
   前記被処理対象物を収容する空間の外面の方向に沿って配置される環状の細管と、
   前記環状の細管に封入された気体と液体との２相凝縮性作動流体と、
   を備えることを特徴とする温度調節機構。
2. 前記環状の細管は蛇行して設置され、
   該環状の細管の少なくとも１部分に接して熱交換器を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度調節機構。
3. 前記熱交換器と前記被処理対象物を収容する空間との最小の距離は、少なくとも前記熱交換器の前記最小の距離の範囲における、前記環状の細管と前記被処理対象物を収容する空間との距離よりも大きい、ことを特徴とする請求項２に記載の温度調節機構。
4. 前記被処理対象物を収容する空間を囲む部材に接する温度調節機構を複数の部分に分割した該部分ごとに、それぞれ独立の前記環状の細管を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の温度調節機構。
5. 前記温度調節機構を複数の部分に分割した該部分ごとに、それぞれ独立に設定された温度で温度調節が可能であることを特徴とする請求項４に記載の温度調節機構。
6. 前記温度調節機構を複数の部分に分割した該部分ごとに、前記環状の細管に接して前記熱交換器を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の温度調節機構。
7. 前記半導体製造工程の処理はプラズマ処理であって、
   前記部材は、前記プラズマを前記処理容器に封止し、該プラズマを挟んで前記被処理対象物と対向する板状部材である
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の温度調節機構。
8. 前記板状部材の、前記処理容器の外側に向かう面の側に、前記環状の細管を備えることを特徴とする請求項７に記載の温度調節機構。
9. 前記環状の細管を、前記板状部材の中心と外周との間を折り返して蛇行するように配置させ、
   前記板状部材の周縁部近傍に前記熱交換器を備える
   ことを特徴とする請求項８に記載の温度調節機構。
10. 前記環状の細管を、前記板状部材の中心から外周に向かう線を横切って折り返して蛇行するように配置させ、
    前記板状部材の中心から外周に向かう方向に沿って前記熱交換器を備える
    ことを特徴とする請求項８に記載の温度調節機構。
11. 前記板状部材の主面の延長方向の周囲に、前記気体と液体との２相凝縮性作動流体を封入した環状の細管を備えることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の温度調節機構。
12. 前記半導体製造工程の処理はプラズマ処理であって、
    前記部材は、該処理容器の被処理対象物を収容する空間にあって、前記プラズマ処理に用いるガスを該被処理対象物に向かって導入するシャワープレートであり、
    該シャワープレートの内部に前記環状の細管と、前記プラズマ処理に用いるガスのガス通路を備える
    ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の温度調節機構。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の温度調節機構を備えることを特徴とする半導体製造装置。

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