JP4551256B2 - 載置台の温度制御装置及び載置台の温度制御方法及び処理装置及び載置台温度制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、被処理体を載置する載置台の温度を制御する技術に係り、特に載置台上の温度ないし温度分布を種々選択または制御できるようにした載置台温度制御方法および装置、並びにそれを用いた処理装置に関する。

たとえば、プラズマを用いた半導体基板あるいは液晶パネルの微細加工においては、被処理基板の温度分布、基板上のプラズマ密度分布、および反応生成物の分布等の制御が非常に重要である。これらの分布制御が適正に行われないと、基板表面におけるプロセスの均一性が確保できなくなり、半導体デバイスあるいは表示デバイスの製造歩留まりが低下する。

一般的に、プラズマ処理装置のチャンバ内で被処理基板を載置する載置台または支持台は、プラズマ空間に高周波を印加する高周波電極の機能と、基板を静電吸着等で保持する保持部の機能と、基板を伝熱で所定温度に制御する熱板の機能とを有している。熱板機能に関しては、プラズマやチャンバ壁からの輻射熱の不均一性による基板への入熱特性の分布や、基板支持構造による熱分布を適切に補正できることが望まれている。

従来より、この種の載置台の温度を制御するために、載置台の内部に冷媒を流す冷媒流路または通路を設け、チラー装置より温調した冷媒を載置台内部の冷媒通路に循環供給する方法が多用されている。概して、チラー装置は処理装置が設置されるクリーンルームとは別の用力室に配備されるため、チラー装置とチャンバ内の載置台とを接続する配管の長さは少なくとも数メートル以上はあり、１０ｍを超えるものも珍しくない。

最近は、プラズマ処理における加工の微細化や多様化に伴い、載置台の温度分布に様々なプロファイルが要求されるようになっている。もっとも、基板上のプロセスの面内均一性を図る観点から、載置台の中心部と周辺部との間で温度制御の適切なバランスが求められるアプリケーションが殆どである。そのような要求に応えるための従来技術として、載置台の中心部と周辺部にそれぞれ独立した冷媒流路を設け、２台のチラー装置よりそれぞれ個別に温調した冷媒を両冷媒流路に循環供給して、載置台の中心部と周辺部とをそれぞれ個別に温度制御するようにした技法（たとえば特許文献１参照）が知られている。
特開平０６−３７０５６号公報

しかしながら、上記のような従来技術は、２台のチラー装置を必要とすることによるコストやスペース効率上の不利点があるばかりでなく、温度制御の応答性が悪いという問題もある。すなわち、チラー装置自体の熱容量が非常に大きいために冷媒の温度を急速に変化させるのが難しいうえ、載置台までの配管（流路）が上記のように相当長いため、高速昇降温を実現することはできない。最近のプロセスたとえばプラズマエッチングの分野では、被処理基板上の多層膜を従来のマルチチャンバ方式に代えて単一のチャンバ内で連続加工する方式が求められている。この単チャンバ方式を実現するうえで、被加工膜の変わり目で基板の温度を短時間に変化させる技術、つまり載置台の高速昇降温を可能とする技術が必須になってきている。

なお、ヒータや熱電素子等の発熱体を載置台に内臓して載置台上の温度分布を制御する方法も考えられる。しかしながら、この手法は、ランニングコストの増加や、高周波電極機能への影響、さらには載置台内部構造の煩雑化を招くものであり、実用性がない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点ないし課題に鑑みてなされたもので、比較的小規模かつ簡易な構成でもって載置台の温度ないし温度分布を多種多様または高精度に制御し、さらには載置台の高速昇降温を可能とする実用性の高い載置台温度制御装置も載置台温度制御方法および載置台温度制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、載置台の温度制御を通じて被処理体に対する処理の均一性や多様性を向上させる処理装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の載置台温度制御装置は、減圧下で被処理体に所望の処理を施す処理装置のチャンバ内で前記被処理体を載置する載置台の温度を制御するための載置台温度制御装置であって、前記載置台に設けられたそれぞれ個別の入口および出口を有する第１および第２の冷媒通路と、前記第１および第２の冷媒通路に冷媒を循環供給するために、前記第１の冷媒流路の入口に第１の流路を介して接続された送出口と、前記第２の冷媒流路の出口に第２の流路を介して接続された帰還口とを有し、前記帰還口に帰還した冷媒を基準温度に戻して前記送出口より送出する冷媒循環器と、前記第１の流路の途中で冷媒の温度を前記基準温度から所望の設定温度まで上昇または降下させる冷媒温度制御部と、前記第１の冷媒通路の出口に第３の流路を介して接続された第１のポートと、前記第１の流路の前記冷媒温度制御部よりも上流側に設けられた第１の流路分岐点に第４の流路を介して接続された第２のポートと、前記第２の冷媒通路の入口に第５の流路を介して接続された第３のポートと、前記第２の流路に設けられた第２の流路分岐点に第６の流路を介して接続された第４のポートとを有し、前記第１、第２、第３および第４のポートとの間で流路の導通、遮断および変更の可能な流路切換部と、前記流路切換部内の前記流路の導通、遮断または変更を制御する流路制御部とを有する。

上記の構成においては、冷媒循環器により第１および第２の冷媒通路に循環供給される冷媒の温度を基準温度に制御する機能と、第１の流路の途中に設けられた冷媒温度制御部により冷媒を基準温度から昇温または降温する機能と、流路切換部により冷媒循環器に対する第１および第２の冷媒通路の接続関係を切り換える機能とが組み合わさって、第１および第２の冷媒通路にそれぞれ供給される冷媒の温度を種々選択することが可能であり、多様かつ精細に載置台の温度または温度分布を制御することができる。また、冷媒循環器は１台で足りる。

本発明の好適な一態様によれば、流路切換部が、上記第１のポートと上記第３のポートとの間に接続された第１の開閉弁と、上記第１のポートと上記第４のポートとの間に接続された第２の開閉弁と、上記第２のポートと上記第３のポートとの間に接続された第３の開閉弁と、上記第２のポートと上記第４のポートとの間に接続された第４の開閉弁とを有し、流路制御部が、第１、第２、第３および第４の開閉弁のオン・オフを制御する。この構成において、各開閉弁のオン・オフは独立して行われてもよく、あるいは他の開閉弁と相補的に行われてもよい。一例として、第１および第３の開閉弁をノーマルオープン・バルブで構成し、第２および第４の開閉弁をノーマルクローズ・バルブで構成することができる。あるいは、流路切換部が、上記第１のポートと上記第３および第４のポートとの間に接続された第１の方向切換弁と、第２のポートと第３および第４のポートとの間に接続された第２の方向切換弁とを有し、流路制御部が、第１および第２の方向切換弁内のそれぞれの流路状態を制御する構成でもよい。

また、好適な一態様によれば、冷媒温度制御部が、第１の流路に取り付けられたインラインヒータと、このインラインヒータよりも下流側で第１の流路内の冷媒の温度を検出する温度センサと、この度センサによって検出される冷媒温度を設定温度に一致させるようにインラインヒータの発熱量を制御する温度制御部とを有する。かかる構成によれば、第１の流路を流れる冷媒に対する加熱または吸熱を省スペースで効率よく行って、急速昇降温を十分に発揮することができる。また、急速昇降温の効果を高めるため、インラインヒータが、載置台に近い位置で第１の流路内の冷媒を加熱するのが好ましい。

また、好適な一態様によれば、第１の配管の第１の流路分岐点よりも下流側に冷媒の流量を可変制御するための流量制御弁が設けられる。この流量制御弁は、たとえば手動操作式または機械操作式の可変絞り弁でよい。一般に、配管を流れる冷媒に対する加熱量または吸熱量を一定に保った場合に流量と冷媒昇降温とは定性的には反比例の関係にあり、流量を小さくする（絞る）ほど、冷媒の温度を大きく昇降温させることができる。これにより、流量制御弁による冷媒流量制御と加熱部または吸熱部による加熱または吸熱制御とを組み合わせることで、冷媒の温度を基準温度から所望の設定値へ高速かつ正確に上昇または降下させることができる。

また、好適な一態様によれば、前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とが前記載置台の中心に対して同心円状に配置されており、特に好ましくは第１の冷媒通路が載置台の中心部領域に設けられ、第２の冷媒通路が載置台の周辺部領域に設けられる。また、好適な一態様として、冷媒循環器は、冷媒を循環させるためのポンプと、帰還直後の冷媒を冷凍するための冷凍部と、冷凍後の冷媒を所定の基準温度まで加熱する加熱部とを有する。

本発明の第１の観点における載置台温度制御方法は、減圧下で被処理体に所望の処理を施す処理装置のチャンバ内で被処理体を載置する載置台に設けられた第１および第２の冷媒通路に冷媒循環器より冷媒を循環供給させて前記載置台の温度を制御する載置台温度制御方法であって、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より基準温度で送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第１の温度制御モードと、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第２の温度制御モードとを有し、前記被処理体の加工条件に応じて前記第１の温度制御モードと前記第２の温度制御モードとの間で切り換えを行う。

この方法によれば、第１の温度制御モードでは、冷媒循環器を１台使用して、第２の冷媒通路には基準温度の冷媒を流し、第１の冷媒通路には基準温度と異なる設定温度の冷媒を流すことが可能であり、載置台の温度分布に変化をもたせることができる。しかも、第１の冷媒通路に流す分の冷媒だけを直前に加熱または冷却すればよいので、加熱または冷却効率が高く、急速昇温または急速降温も可能である。

上記第２の温度制御モードでは、第１および第２の冷媒通路のいずれにも冷媒循環器からの冷媒を基準温度のまま供給し、載置台上に基準温度に対応したほぼフラットな温度分布を得ることができる。モード切り換えでは、載置台（ひいては被処理体）の温度または温度分布を第１の温度制御モードに対応する第１の定常状態と第２の温度制御モードに対応する第２の定常状態との間で急速昇温または急速降温より短時間で移行させることができる。

また、好適な一態様によれば、冷媒循環器の送出口と帰還口との間で第１の冷媒通路と第２の冷媒通路とを直列に接続し、冷媒循環器の送出された冷媒のうち一部を基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから第１および第２の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて載置台の温度制御を行う第３の温度制御モードをさらに有し、被処理体の加工条件に応じて第１の温度制御モードと第２の温度制御モードと第３の温度制御モードとの間で切り換えを行う。

上記第３の温度制御モードでは、第１および第２の冷媒通路のいずれにも基準温度とは異なる設定温度の冷媒を供給し、載置台上に設定温度に対応したほぼフラットな温度分布を得ることができる。モード切り換えでは、載置台（ひいては被処理体）の温度または温度分布を、第１の温度制御モードに対応する第１の定常状態と、第２の温度制御モードに対応する第２の定常状態と、第３の温度制御モードに対応する第３の定常状態との間で急速昇温または急速降温より短時間で移行させることができる。特に、第３の温度制御モードへの切り換えでは、バイパス路の作用により両冷媒通路に対する冷媒の供給流量の可変制御を高速かつ安定に行うことができる。

また、好適な一態様によれば、冷媒循環器の送出口と帰還口との間で第１の冷媒通路と第２の冷媒通路とを直列に接続し、冷媒循環器より送出された冷媒の全部を基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから第１および第２の流体通路に順次流して載置台の温度制御を行う第４の温度制御モードをさらに有し、被処理体の加工条件に応じて第１の温度制御モードと第２の温度制御モードと第４の温度制御モードとの間で切り換えを行う。

上記第４の温度制御モードでは、第１および第２の冷媒通路のいずれにも基準温度とは異なる設定温度の冷媒を供給し、載置台上に設定温度に対応したほぼフラットな温度分布を得ることができる。モード切り換えでは、載置台（ひいては被処理体）の温度または温度分布を、第１の温度制御モードに対応する第１の定常状態と、第２の温度制御モードに対応する第２の定常状態と、第４の温度制御モードに対応する第４の定常状態との間で急速昇温または急速降温より短時間で移行させることができる。

また、好適な一態様によれば、冷媒循環器の送出口と帰還口との間で第１の冷媒通路と第２の冷媒通路とを直列に接続し、冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に基準温度のまま第１および第２の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて載置台の温度制御を行う第５の温度制御モードをさらに有し、被処理体の加工条件に応じて第１の温度制御モードと第２の温度制御モードと第５の温度制御モードとの間で切り換えを行う。

上記第５の温度制御モードでは、第１および第２の冷媒通路のいずれにも冷媒循環器からの冷媒を基準温度のまま供給し、載置台上に基準温度に対応したほぼフラットな温度分布を得ることができる。また、バイパス路の作用により冷媒の供給流量を高速に可変制御することもできる。モード切り換えでは、載置台（ひいては被処理体）の温度または温度分布を、第１の温度制御モードに対応する第１の定常状態と、第２の温度制御モードに対応する第２の定常状態と、第５の温度制御モードに対応する第５の定常状態との間で急速昇温または急速降温より短時間で移行させることができる。

また、好適な一態様によれば、冷媒循環器の送出口と帰還口との間で第１の冷媒通路と第２の冷媒通路とを直列に接続し、冷媒循環器の送出された冷媒の全部を実質的に基準温度のまま第１および第２の冷媒通路に順次流して載置台の温度制御を行う第６の温度制御モードをさらに有し、被処理体の加工条件に応じて第１の温度制御モードと第２の温度制御モードと第６の温度制御モードとの間で切り換えを行う。

上記第６の温度制御モードでは、第１および第２の冷媒通路のいずれにも冷媒循環器からの冷媒を基準温度のまま供給し、載置台上に基準温度に対応したほぼフラットな温度分布を得ることができる。モード切り換えでは、載置台（ひいては被処理体）の温度または温度分布を、第１の温度制御モードに対応する第１の定常状態と、第２の温度制御モードに対応する第２の定常状態と、第６の温度制御モードに対応する第６の定常状態との間で急速昇温または急速降温より短時間で移行させることができる。

本発明の第２の観点における載置台温度制御方法は、減圧下で被処理体に所望の処理を施す処理装置のチャンバ内で前記被処理体を載置する載置台に設けられた第１および第２の冷媒通路に冷媒循環器より冷媒を循環供給させて前記載置台の温度を制御する載置台温度制御方法であって、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より基準温度で送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第１の温度制御モードと、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第２の温度制御モードと、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器の送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１および第２の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて前記載置台の温度制御を行う第３の温度制御モードと、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒の全部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１および第２の流体通路に順次流して前記載置台の温度制御を行う第４の温度制御モードと、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１および第の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて前記載置台の温度制御を行う第５の温度制御モードと、前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器の送出された冷媒の全部を実質的に前記基準温度のまま前記第１および第２の冷媒通路に順次流して前記載置台の温度制御を行う第６の温度制御モードのうち、前記第１のモードまたは前記第２のモードのいずれかと、前記第３のモード、前記第４のモード、前記第５のモードまたは前記第６のモードのいずれかとの間で切り換えを行う。

この第２の載置台温度制御方法においても、上記第１の観点における載置台温度制御方法と同様に、載置台の温度分布に多種多様な変化をもたせることができるとともに、急速昇温または急速降温を容易に実現することができる。

本発明の処理装置は、被処理体を載置する載置台を収容する減圧可能なチャンバと、本発明による載置台温度制御装置と、チャンバ内を排気するための排気部と、前記チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部とを有する。かかる処理装置の構成においては、本発明の載置台温度制御装置により載置台を介して被処理体の温度ないし温度分布を多様または高精度に制御することができる。

上記の処理装置において、好適な一態様によれば、チャンバ内に前記処理ガスのプラズマを生成または供給するためのプラズマ源や、載置台に第１の高周波を給電するための第１の高周波給電部が設けられる。また、チャンバ内で載置台と対向する対向電極と、この対向電極に第２の高周波を給電するための第２の高周波給電部とを設ける構成も可能である。

さらに、好適な一態様によれば、載置台に、被処理体を静電吸着するための静電チャックと、被処理体の裏面と載置面との間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給路とが設けられる。

また、好適な一態様として、上記処理装置は、被処理体に対して所望のプラズマ処理が開始される前に、冷媒温度制御部により第１の流路を流れる冷媒を加熱して被処理体の温度を処理用の設定処理温度まで立ち上げ、プラズマ処理が開始してからそれ以降も処理が終了するまで被処理体の温度が設定処理温度に実質的に保たれるように冷媒温度制御部により第１の流路を流れる冷媒に対する加熱を漸次的に弱める。すなわち、冷媒温度制御部による高速昇降温機能を利用して、プラズマからの入熱による被処理体温度の変動（上昇）を補正することが可能であり、枚葉プラズマ処理の温度管理、再現性、歩留まりを向上させることができる。

なお、本発明において、冷媒循環器より送出される冷媒の基準温度は必ずしも厳密に一定である必要もなければ１つの温度値である必要もなく、ある程度の変動幅または範囲を有するものであってよい。

本発明の載置台温度制御装置、載置台温度制御方法または載置台温度制御プログラムによれば、上記のような構成と作用により、実用性の高い比較的小規模かつ簡易な構成でもって載置台の温度ないし温度分布を多様または高精度に制御し、さらには載置台の高速昇降温を可能とすることができる。また、本発明の処理装置によれば、上記のような構成と作用により、載置台の温度制御を通じて被処理体に対する処理の均一性や多様性を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態における載置台温度制御装置の構成を示す。この載置台温度制御装置は、典型的には減圧可能なチャンバ１０内で処理を受ける被処理基板たとえば半導体ウエハＷの温度ないし温度分布を制御することを究極目的として、半導体ウエハＷを載置する載置台１２の温度ないし温度分布を制御する装置であり、その基本構成として、載置台１２内部の冷媒通路、チラーユニット１４、加熱ユニット１６、流路切換ユニット１８、配管類（２６，２８，３０，３２，５８，６０等）およびコントローラ２０を有している。

載置台１２の内部には、冷媒を流す通路が複数系統たとえば２系統設けられている。典型的には、載置台１２の中心を含む中心部領域とエッジを含む周辺部領域とにそれぞれ個別の入口と出口とを有する冷媒通路２２，２４が設けられる。これらの冷媒通路２２，２４は、それぞれの領域に冷媒の温度を隈なく伝達できるように、たとえば同心円状またはスパイラル（渦）状に形成されている。中心部領域の冷媒通路２２は、スパイラルの中心部に入口２２ａを有し、スパイラルの外周部に出口２２ｂを有する構成が好ましい。

冷媒通路２２の入口２２ａはチラーユニット１４の送出口１４ａに配管２６を介して接続されており、冷媒通路２２の出口２２ｂは流路切換ユニット１８のポート（第１の入口）１８ａに配管２８を介して接続されている。一方、冷媒通路２４の入口２４ａは流路切換ユニット１８のポート（第１の出口）１８ｃに配管３０を介して接続されており、冷媒通路２４の出口２４ｂはチラーユニット１４の帰還口１４ｂに配管３２を介して接続されている。

チラーユニット１４は、載置台１２の両冷媒通路２２，２４に冷媒を循環供給する機能を有しており、たとえば、冷媒を循環させるためのポンプ３４と、帰還口１４ｂに帰還した直後の冷媒を冷凍するための冷凍機３６と、冷凍後の冷媒を所定のベース温度（基準温度）まで戻すように加熱する加熱機３８とを備えている（図５）。一般に、チラーユニット１４は載置台１２から遠い場所に設置され、両者を結ぶ配管２６，３２も相当長いもの（たとえば５ｍ以上）になる。チラーユニット１４内の各部の動作およびユニット全体の冷媒循環供給動作はコントローラ２０によって制御される。

なお、冷媒循環器より送出される冷媒のベース温度は必ずしも厳密に一定であるとは限らず、１つの温度値に保持されるわけでもなく、許容範囲内で或る程度の変動幅（たとえば５゜Ｃ）を有するのが普通である。

加熱ユニット１６は、配管２６の途中で冷媒を加熱して冷媒温度をベース温度から所望の設定温度まで上昇させる冷媒昇温機能を有しており、載置台１２に可及的に近い位置で配管２６に取り付けられるインラインヒータ４０と、このインラインヒータ４０に電力を供給する電源４２とを備えている。インラインヒータ４０は、高速昇温機能を有するものが好ましいだけでなく、チラーユニット１４より配管２６内を長距離で圧送されてくる冷媒の圧力に耐えられる物理的強度を有するものが好ましく、たとえば図２に示すような誘導加熱方式のヒータが好ましい。

図２の構成例において、インラインヒータ４０は、絶縁筒４６の中に配管２６の一部または一区間を形成するコイル状のＳＵＳ加熱エレメント管４８を収容し、絶縁筒４６の回りに導線からなるワークコイル５０を嵌合または装着している。電源４２よりワークコイル５０に高周波の交流電流を流すと、絶縁筒４６内に交番磁束が発生し、この交番磁束によりＳＵＳ加熱エレメント管４８に誘導電圧が発生して誘導電流が流れ、ＳＵＳ加熱エレメント管４８がジュール熱を発生する。このＳＵＳ加熱エレメント管４８の発熱で管内を流れる冷媒が加熱される。加熱ランプ等のガラス管とは違ってＳＵＳ加熱エレメント管４８の物理的強度は非常に大きく、媒体の圧力に十分に耐えられる。

図１において、この実施形態では、加熱ユニット１６に、冷媒昇温機能の精度を高めるために、インラインヒータ４０の下流側で冷媒の温度を検出する温度センサ５２と、この温度センサ５２の出力信号（温度検出信号）に応じて冷媒温度を設定値に一致させるように電源４２の供給電力ひいてはヒータ４０の発熱量を制御するための温調器５４とが設けられている。

さらに、急速加熱を一層高めるために、配管２６より載置台中心部領域の冷媒通路２２に供給される冷媒の流量を可変制御するために、たとえば手動操作式または機械操作式（たとえば、電磁弁式、モータ駆動式、エアオペレート式等）の可変絞り弁からなる流量制御弁４４も設けられている。また、流量制御の精度を高めるために、流量測定器または流量センサ５６が配管２６に取り付けられている。

図３に、加熱ユニット１６においてインラインヒータ４０の発熱量を一定に保った場合の流量と冷媒昇降温との関係（一例）を示す。図示のように、流量と冷媒昇降温とは定性的には反比例の関係にあり、流量を小さくする（絞る）ほど、冷媒の温度を大幅に昇温させることができる。これにより、流量制御弁４４による冷媒流量制御とインラインヒータ４０による加熱制御とを組み合わせることで、冷媒の温度をベース温度から所望の設定値へ高速かつ正確に上昇または降下させることができる。しかも、インラインヒータ４０が載置台１２に近い位置に配置されるので、冷媒の急速昇降温を非常に小さい時定数でそのまま載置台１２側に伝えることが可能であり、載置台１２の各部を短時間で高速に所望の設定値まで昇降温させることができる。加熱ユニット１６内の各部の動作およびユニット全体の冷媒昇降温動作はコントローラ２０によって制御される。

図１において、流路切換ユニット１８は、上記２つのポート（第１の入口および第１の出口）１８ａ，１８ｃ以外にも２つのポート（第２の入口および第２の出口）１８ｂ，１８ｄを有している。ここで、第２の入口１８ｂは、配管１６の加熱ユニット１６よりも上流側に設けられた流路分岐点Ｎ₁に配管５８を介して接続されている。また、第２の出口１８ｄは、配管３２に設けられた流路分岐点Ｎ₂に配管６０を介して接続されている。

流路切換ユニット１８内には、複数個の弁たとえば４つの開閉弁６２，６４，６６，６８が設けられている。詳細には、第１の開閉弁６２は第１の入口１８ａと第１の出口１８ｃとの間に設けられ、第２の開閉弁６４は第１の入口１８ａと第２の出口１８ｄとの間に設けられ、第３の開閉弁６６は第２の入口１８ｂと第１の出口１８ｃとの間に設けられ、第４の開閉弁６８は第２の入口１８ｂと第２の出口１８ｄとの間に設けられている。流路切換ユニット１８は任意の場所に設置可能であるが、少なくとも冷媒通路２２の出口２２ｂと冷媒通路２４の入口２４ａとを選択的に接続するための開閉弁６２は載置台１２の近くに配置されるのが好ましい。

これらの開閉弁６２，６４，６６，６８は、一定の関係で相補的にオン・オフするものであってもよい。一例として、第１および第３の開閉弁６４，６６をノーマルオープン・バルブで構成し、第２および第４の開閉弁６２，６８をノーマルクローズ・バルブで構成することができる。もっとも、流路切換モードの種類を増やす観点からは、各開閉弁６２，６４，６６，６８のオン・オフを独立して行える構成とするのが好ましい。流路切換ユニット１８内の各部の動作（開閉弁６２〜６８のオン・オフ動作）およびユニット全体の流路切換動作はコントローラ２０によって制御される。

コントローラ２０は、ＣＰＵやメモリ等を含むコンピュータシステムからなり、上記のようにこの基板温度制御装置内の各部、特にチラーユニット１４，加熱ユニット１６，流路切換ユニット１８の個々の動作と全体の動作（シーケンス）を制御する。コントローラ２０（制御部１４０）内の構成は図２３につき後に説明する。

次に、この実施形態の載置台温度制御装置における温度制御機能について説明する。この載置台温度制御装置では、コントローラ２０の制御により加熱ユニット１６における加熱動作のオン・オフ状態と流路切換ユニット１８における開閉弁６２，６４，６６，６８のオン・オフ状態とを組み合わせることで、載置台１２に対する温度制御について６種類のモード（Ａ），（Ｂ）（Ｃ），（Ｄ）（Ｅ），（Ｆ）が得られる。

モード（Ａ）は、図４に示すように、加熱ユニット１６において加熱動作をオン状態にするとともに、流路切換ユニット１８において開閉弁６４，６６をそれぞれオン状態にし、開閉弁６２，６８をそれぞれオフ状態にする。この流路切換ユニット１８内の流路切換によって、図５に示すように、チラーユニット１４の送出口１４ａと帰還口１４ｂとの間で中心部領域の冷媒通路２２と周辺部領域の冷媒通路２４とが並列に接続される。

すなわち、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒のうち一部、つまり流路分岐点Ｎ₁をまっすぐ通過して配管２６を流れる冷媒は、途中の加熱ユニット１６で冷媒温度をベース温度より所望の設定温度まで昇温してから冷媒通路２２に入る。そして、冷媒通路２２から配管２８を通って流路切換ユニット１８に入ると、冷媒通路２４に向わずに、オン状態の開閉弁６４を通って配管６０側に抜け、流路分岐点Ｎ₂から配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。また、流路分岐点Ｎ₁から配管５８側に分流した冷媒はベース温度のまま流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６６）および配管３０を通って周辺部領域の冷媒通路２４に入る。そして、冷媒通路２４から出た後は、まっすぐ配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。

このように、モード（Ａ）によれば、載置台１２の周辺部領域がベース温度の冷媒で温調されるとともに、載置台１２の中心部領域がベース温度よりも一段高い設定温度の冷媒で温調される。これにより、載置台１２において中心部領域が周辺部領域よりも相対的に高くなるような山形ないし台形状の温度分布特性が得られ、両者間の高低差（温度差）も任意に制御することができる。しかも、上記のような加熱ユニット１６の急速昇温機能により、そのような温度分布特性を短時間で確立することができる。

モード（Ｂ）は、図６に示すように、加熱ユニット１６において加熱動作をオン状態にするとともに、流路切換ユニット１８において開閉弁６２，６８をそれぞれオン状態にし、開閉弁６４，６６をそれぞれオフ状態にする。この流路切換ユニット１８内の流路切換によって、図７に示すように、チラーユニット１４の送出口１４ａと帰還口１４ｂとの間で、中心部領域の冷媒通路２２と周辺部領域の冷媒通路２４とが直列に接続されるとともに、配管５８、流路切換ユニット１８および配管６０からなるバイパス路７０も形成される。

詳細には、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒のうち一部、つまり流路分岐点Ｎ₁をまっすぐ通過して配管２６を流れる冷媒は、途中の加熱ユニット１６で冷媒温度をベース温度より所望の設定温度まで昇温してから冷媒通路２２に入る。そして、冷媒通路２２から出ると、配管２８、流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６２）および配管３０を通って冷媒通路２４に入り、冷媒通路２４から出た後はまっすぐ配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。一方、流路分岐点Ｎ₁から配管５８側に分流した冷媒は、ベース温度のまま流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６８）および配管６０を通り抜けて流路分岐点Ｎ₂から配管３２に流入し、冷媒通路２４側からの冷媒と合流してチラーユニット１４へ帰還する。

このように、このモード（Ｂ）によれば、載置台１２の中心部領域および周辺部領域の双方をベース温度よりも高温の冷媒で温調し、載置台１２の全体をほぼ一様またはフラットな温度分布でベース温度よりも高い所望の設定温度に制御することができ、加熱ユニット１６による急速昇温も可能である。ここで、加熱ユニット１６において流量制御弁４４により冷媒の流量を任意に絞っても、余分の冷媒がバイパス流路７０を流れるので、チラーユニット１４の冷媒循環能力（冷媒送出圧力）を一定に保ったまま加熱ユニット１６側で所望の急速昇温を即時かつ安定に行うことができる。

モード（Ｃ）は、バイパス流路７０を形成しない点を除いて上記した第２のモード（Ｂ）と同じ冷媒供給形態をとる。つまり、図８に示すように、加熱ユニット１６において加熱動作をオン状態にするとともに、流路切換ユニット１８において開閉弁６２のみをオン状態にし、他の開閉弁６４，６６，６８を全てオフ状態にする。この流路切換ユニット１８内の流路切換によって、図９に示すように、チラーユニット１４の送出口１４ａと帰還口１４ｂとの間で、中心部領域の冷媒通路２２と周辺部領域の冷媒通路２４とが直列に接続されるものの、配管５８と配管６０との間で（流路切換ユニット１８で）流路が遮断されるためバイパス流路７０は形成されない。

この場合、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒の全部が流路分岐点Ｎ₁をまっすぐ通過して配管２６を流れ、途中の加熱ユニット１６で冷媒温度をベース温度より所望の設定温度まで昇温してから冷媒通路２２に入る。そして、冷媒通路２２から出ると、配管２８、流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６２）および配管３０を通って冷媒通路２４に入り、冷媒通路２４から出た後はまっすぐ配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。

このモード（Ｃ）は、上記モード（Ｂ）ほどの高速かつ効率的な急速昇温を奏しえないが、載置台１２の全体をほぼフラット（一様）な温度分布でベース温度よりも高い所望の設定温度にすることができる。

モード（Ｄ）は、加熱ユニット１６の加熱動作を止めて（オフ状態にして）、流路切換ユニット１８内の流路状態を上述したモード（Ａ）と同じ形態にする。すなわち、図１０に示すように、開閉弁６４，６６をそれぞれオン状態にし、開閉弁６２，６８をそれぞれオフ状態にする。これによって、図１１に示すように、チラーユニット１４の送出口１４ａと帰還口１４ｂとの間で中心部領域の冷媒通路２２と周辺部領域の冷媒通路２４とが並列に接続される。

したがって、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒のうち一部、つまり流路分岐点Ｎ₁をまっすぐ通過して配管２６を流れる冷媒は、途中の加熱ユニット１６で加熱されることなくベース温度のまま冷媒通路２２に入る。そして、冷媒通路２２から出て配管２８から流路切換ユニット１８に入ると、冷媒通路２４に向わずに、オン状態の開閉弁６４を通って配管６０側に抜け、流路分岐点Ｎ₂から配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。また、流路分岐点Ｎ₁から配管５８側に分流した冷媒もベース温度のまま流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６６）および配管３０を通って周辺部領域の冷媒通路２４に入る。そして、冷媒通路２４から出た後は、まっすぐ配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。

このように、モード（Ｄ）によれば、載置台１２の中心部領域および周辺部領域の双方をベース温度の冷媒で温調し、載置台１２の全体をほぼフラット（一様）な温度分布でベース温度付近の温度に制御することができる。ここで重要なことは、モード（Ａ）からモード（Ｄ）への移行は、加熱ユニット１６をオン状態からオフ状態へ切り換えるだけでよく、しかも高速に行えるということである。つまり、加熱ユニット１６による急速昇温を停止させることで設定温度からベース温度への急速降温を実現することができる。モード（Ｂ）あるいはモード（Ｃ）からモード（Ｄ）への移行も、流路切換ユニット１８の切り換え動作が増えるだけで、同様に高速に行える。

モード（Ｅ）は、加熱ユニット１６の加熱動作を止めて（オフ状態にして）、流路切換ユニット１８内の流路状態を上記したモード（Ｂ）と同じ形態にする。すなわち、図１２に示すように、開閉弁６２，６８をそれぞれオン状態にし、開閉弁６４，６６をそれぞれオフ状態にする。これによって、図１３に示すように、チラーユニット１４の送出口１４ａと帰還口１４ｂとの間で中心部領域の冷媒通路２２と周辺部領域の冷媒通路２４とが直列に接続されるとともに、配管５８、流路切換ユニット１８および配管６０からなるバイパス路７０も形成される。

この場合、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒のうち一部、つまり流路分岐点Ｎ₁をまっすぐ通過して配管２６を流れる冷媒は、途中の加熱ユニット１６で昇温することなくベース温度のままで冷媒通路２２に入る。そして、冷媒通路２２から出ると、配管２８、流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６２）および配管３０を通って冷媒通路２４に入り、冷媒通路２４から出た後はまっすぐ配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。一方、流路分岐点Ｎ₁から配管２８側に分流した冷媒は、ベース温度のまま流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６８）および配管６０を通り抜けて流路分岐点Ｎ₂から配管３２に流入し、冷媒通路２４側からの冷媒と合流してチラーユニット１４へ帰還する。

このモード（Ｅ）においても、載置台１２の中心部領域および周辺部領域の双方をベース温度の冷媒で温調し、載置台１２の全体をほぼフラットな温度分布でベース温度付近の温度に制御することができる。また、モード（Ａ）、モード（Ｂ）あるいはモード（Ｃ）からモード（Ｅ）への移行も簡単かつ高速に行える。

もっとも、厳密には、モード（Ｅ）とモード（Ｄ）とは載置台１２の温度分布が微妙に異なる。すなわち、モード（Ｄ）では、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒が配管２６の流路分岐点Ｎ₁で２つに分かれて載置台１２の中心部領域の冷媒通路２２および周辺部領域の冷媒通路２４にパラレルに供給されるため、載置台１２の中心部領域と周辺部領域とがほぼ同一の冷媒温度で温調されることになり、載置台１２全体における温度分布の平坦性（均一性）は高い。これに対して、モード（Ｅ）では、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒の全部が最初に載置台１２の中心部領域の冷媒通路２２を流れ、その後さらに載置台１２の周辺部領域の冷媒通路２４を流れるため、前者（中心部領域）よりも後者（周辺部領域）の方で冷却能力が若干弱く、載置台１２全体における温度分布が厳密に平坦ではなく中心部が周辺部よりも少し高くなる傾向がある。

最後に、６つ目のモード（Ｆ）は、加熱ユニット１６の加熱動作を止めて（オフ状態にして）、流路切換ユニット１８内の流路状態を上記のモード（Ｃ）と同じ形態にする。すなわち、図１４に示すように、開閉弁６２だけをオン状態にし、他の開閉弁６４，６６，６８を全てオフ状態にする。図１５に示すように、チラーユニット１４の送出口１４ａと帰還口１４ｂとの間で、中心部領域の冷媒通路２２と周辺部領域の冷媒通路２４とが直列に接続されるものの、配管５８と配管６０との間で（流路切換ユニット１８で）流路が遮断されるためバイパス流路７０は形成されない。

この場合、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒の全部が流路分岐点Ｎ₁をまっすぐ通過して配管２６を流れ、途中の加熱ユニット１６で昇温することなくベース温度のままで冷媒通路２２に入る。そして、冷媒通路２２から出ると、配管２８、流路切換ユニット１８（オン状態の開閉弁６２）および配管３０を通って冷媒通路２４に入り、冷媒通路２４から出た後はまっすぐ配管３２を通ってチラーユニット１４へ帰還する。

このモード（Ｆ）においても、載置台１２の中心部領域および周辺部領域の双方をベース温度の冷媒で温調し、載置台１２の全体をほぼフラットな温度分布でベース温度付近の温度に制御することができる。また、モード（Ａ）、モード（Ｂ）あるいはモード（Ｃ）からモード（Ｆ）への移行も簡単かつ高速に行える。

もっとも、厳密には、モード（Ｆ）も、モード（Ｄ）およびモード（Ｅ）との作用上の相違点がある。モード（Ｄ）との相違点は、モード（Ｅ）について上述したのと同じことがあてはまる。また、モード（Ｅ）と比較すると、モード（Ｆ）では、バイパス流路７０を形成しないため、チラーユニット１４より送出された冷媒の全部を載置台１２の冷媒通路２２，２４に流すことができ、チラーユニット１４による温度制御機能をより十全に奏することができる。

上記したように、この実施形態においては、１台のチラーユニット１４と、インラインヒータ４０を用いる加熱ユニット１６と、４個の開閉弁６２，６４，６６，６８からなる流路切換ユニット１８と、各ユニット１４，１６，１８の動作または状態を制御するコントローラ２０とを有する低コストで簡易な構成の載置台温度制御装置によって、載置台１２の温度ないし温度分布を多種類の設定値あるいはプロファイルに高速昇降温で高精度に制御することができる。

図１６に、本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置には、上記した第１の実施形態による載置台温度制御装置が組み込まれている。

図１６に示すように、このプラズマ処理装置は、平行平板型のプラズマエッチング装置して構成されており、内壁の表面がアルマイト処理されたアルミナ膜、イットリウム酸化（Ｙ₂Ｏ₃）膜、セラミックコーティングあるいは石英で覆われたアルミニウムまたはステンレス鋼等からなる円筒形のチャンバ（処理容器）９０を有している。このチャンバ９０は、図１のチャンバ１０に相当するものである。なお、チャンバ９０は保安接地されている。

チャンバ９０内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状の載置台１２が下部電極またはサセプタとして設けられている。この載置台１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部９２を介してチャンバ９０の底から垂直方向に延びる筒状支持部９４に支持されている。筒状保持部９２の上面には、載置台１２の上面を環状に囲むたとえば石英から成るフォーカスリング９６が配置されている。

チャンバ９０の側壁と筒状支持部９４との間には排気路９８が形成され、この排気路９８の入口または途中に環状のバッフル板１００が取り付けられるとともに底部に排気口１０２が設けられている。この排気口１０２に排気管１０４を介して排気装置１０６が接続されている。排気装置１０６は、真空ポンプを有しており、チャンバ９０内の処理空間を所定の真空度まで減圧することができる。チャンバ９０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１０８が取り付けられている。

載置台１２には、プラズマ生成用の高周波電源１１０が整合器１１２および給電棒１１４を介して電気的に接続されている。この高周波電源１１０は、所望の高周波数たとえば２７ＭＨｚ以上（たとえば６０ＭＨｚ）の高周波を下部電極すなわち載置台１２に印加する。載置台１２と平行に向かい合って、チャンバ９０の天井部には、シャワーヘッド１１６が接地電位の上部電極として設けられている。高周波電源１１０からの高周波によって載置台１２とシャワーヘッド１１６との間の空間つまりプラズマ生成空間ＰＳに高周波電界が形成される。

上記シャワーヘッド１１６は、多数のガス通気孔１１８ａを有する電極板１１８と、この電極板１１８を着脱可能に支持する電極支持体１２０とを有する。電極支持体１２０の内部にバッファ室１２２が設けられ、このバッファ室１２２のガス導入口１２２ａには処理ガス供給部１２４からのガス供給配管１２６が接続されている。

チャンバ９０の天井部において、プラズマ生成空間ＰＳ周辺の上方（好ましくはシャワーヘッド１１６の周囲）には、環状または同心状に延在する磁場形成機構１２８が設けられている。この磁場形成機構１２８は、チャンバ９０内のプラズマ生成空間ＰＳにおける高周波放電の開始（プラズマ着火）を容易にし放電を安定に維持するために機能する。

載置台１２の上面には半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１３０が設けられている。この静電チャック１３０は導電膜から成る電極１３０ａを一対の絶縁膜１３０ｂ、１３０ｃの間に挟み込んだものであり、電極１３０ａには直流電源１３２がスイッチ１３４を介して電気的に接続されている。直流電源１３２からの直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷをチャック上に吸着保持できるようになっている。

載置台１２の内部には、上記した第１の実施形態と同様に、中心部領域に環状またはスパイラル状に延在する第１の冷媒通路２２が設けられ、周辺部領域に環状またはスパイラル状に延在する第２の冷媒通路２４が設けられている。そして、これらの冷媒通路２２，２４には、チラーユニット１２、加熱ユニット１６および流路切換ユニット１８を有する上記第１の実施形態と同様の載置台温度制御装置より所定温度の冷媒が循環供給される。

さらに、伝熱ガス供給部１３６からの伝熱ガスたとえばＨｅガスがガス供給ライン１３８を介して静電チャック１３０の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

制御部１４０は、このプラズマエッチング装置内の各部を個別に制御し、全体のシーケンスも統括制御するもので、載置台温度制御装置のコントローラ２０（図１）も兼ねている。

このプラズマ処理装置においては、図示省略するが、上部電極であるシャワーヘッド１１６に２７ＭＨｚ以上の周波数たとえば６０ＭＨｚの高周波電源を接続し、下部電極である載置台１２に２ＭＨｚ〜２７ＭＨｚの範囲内の周波数たとえば２ＭＨｚの高周波電源を接続する構成にしてもよい。この場合には、載置台１２にシャワーヘッド１１６側からの高周波（６０ＭＨｚ）をグランドへ通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）が電気的に接続され、シャワーヘッド１１６に載置台１２側からの高周波（２ＭＨｚ）をグランドに通すためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）が電気的に接続されると好適である。

このプラズマ処理装置において、エッチングを行うには、先ずゲートバルブ１０８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ９０内に搬入し、載置台１２の上に載置する。次いで、直流電源１３４より直流電圧を静電チャック１３０の電極１３０ａに印加して、半導体ウエハＷを静電チャック１３０上に固定する。そして、後述するように載置台１２の温度制御を行い、更に伝熱ガス供給部１３６からの伝熱ガスを静電チャック１３０の上面と半導体ウエハＷの裏面に供給する。その後、処理ガス供給部１２４よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ９０内に導入し、排気装置１０６によりチャンバ９０内の圧力を設定値にしたうえで、高周波電源１１０より所定のパワーで高周波を載置台１２に供給する。シャワーヘッド１１６より吐出されたエッチングガスはプラズマ生成空間ＰＳ内で放電してプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面がエッチングされる。

上記のようなプラズマエッチングにおいて、この実施形態における載置台温度制御技術を用いてエッチング特性を制御する方法の例を幾つか説明する。

プラズマ処理装置においては、プロセスの種類や装置構造により、載置台上で被処理基板の温度分布が様々な影響を受ける。一般的には、プラズマやチャンバ壁からの熱輻射あるいは高密度電子等により、基板上の温度はエッジ部の方が中心部領域よりも高くなる傾向がある。上記のように、本発明によれば、温度制御モード（Ａ）を適用することによって、半導体ウエハＷ表面の温度を均一にすることができるようになる。

すなわち、上記のように、載置台１２の温度制御においてモード（Ａ）（図４および図５）を選択することで、載置台１２において周辺部よりも内側（中心部領域）の温度を高くすることができる。これによって、図１７に示すように、載置台１２上の半導体ウエハＷにおいては、中心部領域と周辺部領域とでほぼ均一（フラット）な温度分布を得ることができる。因みに、載置台１２の流体通路２２，２４にほぼ等しい温度の冷媒を流すと、図１８に示すように、載置台１２において中心部領域と周辺部領域とがほぼ均一（フラット）な温度分布になり、それによって載置台１２上の半導体ウエハＷにおいてはプラズマやチャンバ壁からの熱輻射等により中心部領域よりも周辺部領域が高くなりやすい。

次に、図１９を参照して第２の例について説明する。この例は、半導体ウエハＷの主面に形成された多層膜、たとえば２層構造の導電層を加工して微細幅の配線を形成する場合である。この場合には、温度制御モードをモード（Ｂ）（図６、図７）からモード（Ｄ）（図１０、図１１）に切り換えるシーケンスが有効である。

この導電層のエッチングでは、エッチングガスとしてたとえば塩素系のハロゲン化物を含む混合ガスを使用する。そして、載置台１２の温度制御においては、図１９に示すように、最初はモード（Ｂ）により半導体ウエハＷ全体を所望の設定温度でほぼ均一な温度分布にする。その場合、高速昇温機能により、半導体ウエハＷを高い応答速度で第１の設定温度（たとえば６０゜Ｃ）まで昇温させることができる。この状態で、エッチングガスをチャンバ９０内に導入し、高周波によりプラズマ励起し、上層の導電層を加工する。

続いて、エッチングガスの導入を一時止め、今度は、載置台１２の温度制御をモード（Ｂ）からモード（Ｄ）に切り換える。この場合も、高速降温機能により、載置台１２全体の温度をベース温度に相当する第２の設定温度（たとえば３０℃）まで高速に降下させることができる。

このようにして、図１９に示すように、モード（Ｂ）からモード（Ｄ）への切り換えにより半導体ウエハＷ全体も高速で降温する。この状態で、再度エッチングガスをチャンバ９０内に導入しプラズマ励起して下層の導電層を加工する。こうして、高精度に寸法制御された積層配線を加工形成することができる。

この他にも、プラズマ処理において種々の温度制御シーケンスが可能である。図２０は、図１９とは逆のシーケンスであり、最初にモード（Ｄ）の下で多層膜の一層目を加工し、次いでモード（Ｂ）の下で下層膜を加工する。この場合も、載置台１２の温度をモード（Ｄ）における設定温度（たとえば３０℃）からモード（Ｂ）における設定温度（たとえば６０℃）まで高速に切り換えることができる。

図２１に第３の例を示す。プラズマ処理装置においては、上記のように、載置台上の被処理基板は、プラズマ処理中にプラズマやチャンバ壁からの熱輻射あるいは高密度電子の入射を受ける。このことは、プラズマ処理の開始とともに、つまり高周波電極に対して高周波（ＲＦ）の給電を開始すると、図２１の一点鎖線１４４で示すように基板の温度が上昇する方向に変動することを意味する。もっとも、載置台による温調も作用するため、一定の時定数の時間πが経過すれば基板の温度上昇（変動）は飽和して平衡温度Ｔ_Wに到達する。しかし、これでは、プラズマ処理の全期間を通じて基板の温度を設定処理温度（レシピの温度条件）に保つことはできず、プラズマ処理の再現性や歩留まりの点で信頼性は低い。

この点、本発明によれば、加熱ユニット１６の急速昇降温機能を利用し、チャンバ１０内に搬入された半導体ウエハＷが載置台１２の上に載置されてから所望のプラズマ処理が開始される前に、図２１の実線１４８ａ，１４６で示すように加熱ユニット１６の急速昇温機能により配管２６を流れる冷媒を加熱して各半導体ウエハＷｎの温度を処理用の設定処理温度（Ｔ_W）まで急速に立ち上げる。そして、プラズマ処理が開始してからそれ以降も処理が終了するまで半導体ウエハＷｎの温度が設定処理温度（Ｔ_W）に実質的に保たれるように加熱ユニット１６により配管２６を流れる冷媒に対する加熱を図２１の実線１４８ｂで示すように漸次的に弱める。こうして、プラズマ等からの入熱によるウエハ温度の変動（上昇）を補正することが可能であり、枚葉プラズマ処理の温度管理、再現性、歩留まりを向上させることができる。

上述した実施形態において温度制御モードを切り替えるシーケンスではチラーユニット１４における冷媒のベース温度を一定に維持したが、本発明はベース温度を一定に保持する態様に限定されるものではない。チラーユニット１４の加熱機３８でベース温度を任意に変えることも可能であり、ベース温度の可変制御と加熱ユニット１６の昇降温機能とを併用することで一層多様な温度制御を実現することができる。

一例として、図２２に、半導体ウエハＷを３段階に降温させる例を示す。上記したように、チラーユニット１４は熱容量が大きいうえ載置台１２から相当離れた場所に配置されるため、チラーユニット１４でベース温度を変更してから載置台１２の温度が追従するまでに相当長い時間を要する（応答速度が遅い）。

そこで、図２２に示すように、第１段階では、ベース温度を比較的高い温度に設定し、加熱ユニット１６をオン状態にして冷媒の温度をベース温度よりもさらに高い一定温度に保持する。こうして、半導体ウエハＷの温度を第１の設定温度に保持する。次に、第２段階で、チラーユニット１４でベース温度を一段低い基準温度に切り換える。しかし、このベース温度切り換えの時定数が大きいため、載置台１２に供給される冷媒の温度が漸次的に低下し、それに伴い半導体ウエハＷの温度も漸次的に低下してしまい、高速の温度切り換えはできない。そこで、第２段階では、加熱ユニット１６の加熱動作をいったん止めて急速降温により半導体ウエハＷの温度を第１の設定温度よりも低い第２の設定温度まで一気に下げる。それから、加熱ユニット１６の加熱動作を再開させ、温調器５４を通じて加熱温度をベース温度の時定数に合わせて緩やかに上昇させる。こうして、第２段階の期間中、半導体ウエハＷは第２の設定温度に保持される。次に、ベース温度が新たな基準値に安定したところで、加熱ユニット１６の加熱動作を止める。この急速降温により、半導体ウエハＷの温度を第２の設定温度から新規ベース温度に対応した第３の設定温度まで一気に下げることができる。

以上のようにして、半導体ウエハＷの温度を、第１段階ではたとえば９０℃に、第２段階ではたとえば６０℃に、第３段階ではたとえば３０℃にそれぞれ保持して、たとえば３層膜のエッチング加工を高精度に行うことができる。あるいは、単層膜を所望の断面形状に加工することも可能になる。

図２３は、図２２とは逆の温度制御シーケンスであり、半導体ウエハＷを３段階に昇温させる例である。このシーケンスによれば、半導体ウエハＷの温度を、第１段階ではたとえば３０℃に、第２段階ではたとえば６０℃に、第３段階ではたとえば９０℃に保持することができ、図２２の例と同様に多層膜のエッチング加工を高精度に行うことができる。

図２４に、制御部１４０（コントローラ２０）の構成例を示す。この構成例の制御部１４０（コントローラ２０）は、バス１５０を介して接続されたプロセッサ（ＣＰＵ）１５２、メモリ（ＲＡＭ）１５４、プログラム格納装置（ＨＤＤ）１５６、フロッピドライブあるいは光ディスクなどのディスクドライブ（ＤＲＶ）１５８、キーボードやマウスなどの入力デバイス（ＫＥＹ）１６０、表示装置（ＤＩＳ）１６２、ネットワーク・インタフェース（ＣＯＭ）１６４、および周辺インタフェース（Ｉ／Ｆ）１６６を有する。

プロセッサ（ＣＰＵ）１５２は、ディスクドライブ（ＤＲＶ）１５８に装填されたＦＤあるいは光ディスクなどの記憶媒体１６８から所要のプログラムのコードを読み取って、ＨＤＤ１５６に格納する。あるいは、所要のプログラムをネットワークからネットワーク・インタフェース１６４を介してダウンロードすることも可能である。そして、プロセッサ（ＣＰＵ）１５２は、各段階または各場面で必要なプログラムのコードをＨＤＤ１５６からワーキングメモリ（ＲＡＭ）１５４上に展開して各ステップを実行し、所要の演算処理を行って周辺インタフェース１６６を介して装置内の各部（特にチラーユニット１４、加熱ユニット１６、流路切換ユニット１８等）を制御する。上記第１および第２の実施形態で説明した載置台温度制御方法を実施するためのプログラムは全てこのコンピュータシステムで実行される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

たとえば、流路切換ユニット１８において、一組の電磁弁６２，６４を、第１の入口１８ａに接続された第１のポートと、第１および第２の出口１８ｃ，１８ｄにそれぞれ接続された第２および第３のポートとを有する１つの方向切換弁に置き換えることもできる。また、一組の電磁弁６６，６８を、第２の入口１８ａに接続された第１のポートと、第１および第２の出口１８ｃ，１８ｄにそれぞれ接続された第２および第３のポートとを有する１つの方向切換弁に置き換えることもできる。もっとも、その場合は、モード（Ｃ）、（Ｆ）を得ることはできないという制約がある。

また、上記実施形態において加熱ユニット１６に代えて、配管２６の途中で冷媒を冷却する冷却ユニットを用いることも可能である。その場合には、たとえば、モード（Ａ）によって載置台１２上の半導体ウエハＷの温度分布につき、図１７のプロファイルを上下に反転させたようなプロファイルを得ることができる。あるいは、チラーユニット１４よりベース温度で送出された冷媒を最初に載置台１２の周辺部領域の冷媒通路２４に流し、シリアルでその後に中心部領域２２に流す方式も可能である。さらには、載置台１２に、個別の入口と出口を有する冷媒通路を３系統以上設ける構成も可能である。

また、本発明は、上記実施形態におけるような平行平板型プラズマ処理装置以外にも、ヘリコン波プラズマ励起型の処理装置、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ励起型の処理装置、μ波プラズマ励起型の処理装置、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマ励起型の処理装置等にも同様に適用できる。また、エッチング装置以外に成膜装置などにも同様に適用でき、たとえば化学気相成長（ＣＶＤ）装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置、ＭＢＥ装置、蒸着装置等にも適用できる。さらに、本発明は、イオンミリング、ＦＩＢによる被処理物の加工、絶縁基板表面のプラズマ洗浄、あるいはプラズマクリーニング等にも同様に適用できるものである。

また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るもではなく、フラツトパネル・ディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板などであってもよい。

本発明の一実施形態における載置台温度制御装置の構成を示すブロック図である。 上記載置台温度制御装置の加熱ユニットにおけるインラインヒータの一例を示す斜視図である。 上記加熱ユニットにおける冷媒昇降温特性を示すグラフである。 上記載置台温度制御装置において温度制御モード（Ａ）を得るための各部の状態を示す図である。 温度制御モード（Ａ）における全体の流路系統を模式的に示す図である。 上記載置台温度制御装置において温度制御モード（Ｂ）を得るための各部の状態を示す図である。 温度制御モード（Ｂ）における全体の流路系統を模式的に示す図である。 上記載置台温度制御装置において温度制御モード（Ｃ）を得るための各部の状態を示す図である。 温度制御モード（Ｃ）における全体の流路系統を模式的に示す図である。 上記載置台温度制御装置において温度制御モード（Ｄ）を得るための各部の状態を示す図である。 温度制御モード（Ｄ）における全体の流路系統を模式的に示す図である。 上記載置台温度制御装置において温度制御モード（Ｅ）を得るための各部の状態を示す図である。 温度制御モード（Ｅ）における全体の流路系統を模式的に示す図である。 上記載置台温度制御装置において温度制御モード（Ｆ）を得るための各部の状態を示す図である。 温度制御モード（Ｆ）における全体の流路系統を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の構成を示す断面図である。 一実施例における載置台および半導体ウエハの温度分布を示す図である。 参考例における載置台および半導体ウエハの温度分布を示す図である。 一実施例における温度制御モード切り換えのシーケンスを示す図である。 一実施例における温度制御モード切り換えのシーケンスを示す図である。 一実施例における被処理体温度制御方法を示す図である。 一実施例における温度制御モード切り換えのシーケンスを示す図である。 一実施例における温度制御モード切り換えのシーケンスを示す図である。 実施例における制御部（コントローラ）の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ チャンバ
１２ 載置台
１４ チラーユニット
１６ 加熱ユニット
１８ 流路切換ユニット
２０ コントローラ
２２ 載置台の中心部領域の冷媒通路
２４ 載置台の周辺部領域の冷媒通路 温調器
２６，２８，３０，３２，５８，６０ 配管
３４ ポンプ
３６ 冷凍機
３８ 加熱機
４０ インラインヒータ
４２ 電源
４４ 流量制御弁
５４ 温調器
６２，６４，６６，６８ 開閉弁
９０ チャンバ
１１０ 高周波電源
１２４ 処理ガス供給部
１３０ 静電チャック
１３６ 伝熱ガス供給部
１４０ 制御部

Claims (22)

1. 減圧下で被処理体に所望の処理を施す処理装置のチャンバ内で前記被処理体を載置する載置台の温度を制御するための載置台温度制御装置であって、
   前記載置台に設けられたそれぞれ個別の入口および出口を有する第１および第２の冷媒通路と、
   前記第１および第２の冷媒通路に冷媒を循環供給するために、前記第１の冷媒流路の入口に第１の流路を介して接続された送出口と、前記第２の冷媒流路の出口に第２の流路を介して接続された帰還口とを有し、前記帰還口に帰還した冷媒を基準温度に戻して前記送出口より送出する冷媒循環器と、
   前記第１の流路の途中で冷媒の温度を前記基準温度から所望の設定温度まで上昇または降下させる冷媒温度制御部と、
   前記第１の冷媒通路の出口に第３の流路を介して接続された第１のポートと、前記第１の流路の前記冷媒温度制御部よりも上流側に設けられた第１の流路分岐点に第４の流路を介して接続された第２のポートと、前記第２の冷媒通路の入口に第５の流路を介して接続された第３のポートと、前記第２の流路に設けられた第２の流路分岐点に第６の流路を介して接続された第４のポートとを有し、前記第１、第２、第３および第４のポートとの間で流路の導通、遮断および変更の可能な流路切換部と、
   前記流路切換部内の前記流路の導通、遮断または変更を制御する流路制御部と
   を有する載置台温度制御装置。
2. 前記流路切換部が、前記第１のポートと前記第３のポートとの間に接続された第１の開閉弁と、前記第１のポートと前記第４のポートとの間に接続された第２の開閉弁と、前記第２のポートと前記第３のポートとの間に接続された第３の開閉弁と、前記第２のポートと前記第４のポートとの間に接続された第４の開閉弁とを有し、
   前記流路制御部が、前記第１、第２、第３および第４の開閉弁のオン・オフを制御する、
   請求項１に記載の載置台温度制御装置。
3. 前記流路切換部が、前記第１のポートと前記第３および第４のポートとの間に接続された第１の方向切換弁と、前記第２のポートと前記第３および第４のポートとの間に接続された第２の方向切換弁とを有し、
   前記流路制御部が、前記第１および第２の方向切換弁内のそれぞれの流路状態を制御する、
   請求項１に記載の載置台温度制御装置。
4. 前記冷媒温度制御部が、
   前記第１の流路に取り付けられたインラインヒータと、
   前記インラインヒータよりも下流側で前記第１の流路内の冷媒の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサによって検出される冷媒温度を前記設定温度に一致させるように前記インラインヒータの発熱量を制御する温度制御部と
   を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の載置台温度制御装置。
5. 前記インラインヒータが、前記載置台に近い位置で前記第１の流路内の冷媒を加熱する、請求項４に記載の載置台温度制御装置。
6. 前記第１の流路の前記第１の流路分岐点よりも下流側に冷媒の流量を可変制御するための流量制御弁が設けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の載置台温度制御装置。
7. 前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路は、前記載置台の中心に対して同心円状に配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の載置台温度制御装置。
8. 前記第１の冷媒通路が前記載置台の中心部領域に設けられ、前記第２の冷媒通路が前記載置台の周辺部領域に設けられる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の載置台温度制御装置。
9. 前記冷媒循環器が、冷媒を循環させるためのポンプと、帰還直後の冷媒を冷凍するための冷凍部と、冷凍後の冷媒を所定の基準温度まで加熱する加熱部とを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の載置台温度制御装置。
10. 減圧下で被処理体に所望の処理を施す処理装置のチャンバ内で被処理体を載置する載置台に設けられた第１および第２の冷媒通路に冷媒循環器より冷媒を循環供給させて前記載置台の温度を制御する載置台温度制御方法であって、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より基準温度で送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第１の温度制御モードと、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第２の温度制御モードとを有し、
    前記被処理体の加工条件に応じて前記第１の温度制御モードと前記第２の温度制御モードとの間で切り換えを行う、
    載置台温度制御方法。
11. 前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器の送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１および第２の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて前記載置台の温度制御を行う第３の温度制御モードをさらに有し、
    前記被処理体の加工条件に応じて前記第１の温度制御モードと前記第２の温度制御モードと前記第３の温度制御モードとの間で切り換えを行う、
    請求項１０に記載の載置台温度制御方法。
12. 前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒の全部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１および第２の流体通路に順次流して前記載置台の温度制御を行う第４の温度制御モードをさらに有し、
    前記被処理体の加工条件に応じて前記第１の温度制御モードと前記第２の温度制御モードと前記第４の温度制御モードとの間で切り換えを行う、
    請求項１０に記載の載置台温度制御方法。
13. 前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１および第の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて前記載置台の温度制御を行う第５の温度制御モードをさらに有し、
    前記被処理体の加工条件に応じて前記第１の温度制御モードと前記第２の温度制御モードと前記第５の温度制御モードとの間で切り換えを行う、
    請求項１０に記載の載置台温度制御方法。
14. 前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器の送出された冷媒の全部を実質的に前記基準温度のまま前記第１および第２の冷媒通路に順次流して前記載置台の温度制御を行う第６の温度制御モードをさらに有し、
    前記被処理体の加工条件に応じて前記第１の温度制御モードと前記第２の温度制御モードと前記第６の温度制御モードとの間で切り換えを行う、
    請求項１０に記載の載置台温度制御方法。
15. 減圧下で被処理体に所望の処理を施す処理装置のチャンバ内で前記被処理体を載置する載置台に設けられた第１および第２の冷媒通路に冷媒循環器より冷媒を循環供給させて前記載置台の温度を制御する載置台温度制御方法であって、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より基準温度で送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第１の温度制御モードと、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを並列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１の冷媒通路に流し、残りを実質的に前記基準温度のまま前記第２の冷媒通路に流して前記載置台の温度制御を行う第２の温度制御モードと、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器の送出された冷媒のうち一部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１および第２の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて前記載置台の温度制御を行う第３の温度制御モードと、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒の全部を前記基準温度より所望の設定温度まで上昇または降下させてから前記第１および第２の流体通路に順次流して前記載置台の温度制御を行う第４の温度制御モードと、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器より送出された冷媒のうち一部を実質的に前記基準温度のまま前記第１および第の冷媒通路に順次流し、残りをバイパスさせて前記載置台の温度制御を行う第５の温度制御モードと、
    前記冷媒循環器の送出口と帰還口との間で前記第１の冷媒通路と前記第２の冷媒通路とを直列に接続し、前記冷媒循環器の送出された冷媒の全部を実質的に前記基準温度のまま前記第１および第２の冷媒通路に順次流して前記載置台の温度制御を行う第６の温度制御モードのうち、
    前記第１のモードまたは前記第２のモードのいずれかと、前記第３のモード、前記第４のモード、前記第５のモードまたは前記第６のモードのいずれかとの間で切り換えを行う、載置台温度制御方法。
16. 被処理体を載置する載置台を収容する減圧可能なチャンバと、
    前記載置台の温度を制御するための請求項１〜９のいずれか一項に記載の載置台温度制御装置と、
    前記チャンバ内を排気するための排気部と、
    前記チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と
    を有する処理装置。
17. 前記チャンバ内に前記処理ガスのプラズマを生成または供給するためのプラズマ源を有する、請求項１６に記載の処理装置。
18. 前記載置台に第１の高周波を給電するための第１の高周波給電部を有する、請求項１７に記載の処理装置。
19. 前記チャンバ内で前記載置台と対向する対向電極と、前記対向電極に第２の高周波を給電するための第２の高周波給電部を有する、請求項１７または請求項１８に記載の処理装置。
20. 前記載置台が、前記被処理体を静電吸着するための静電チャックと、前記被処理体の裏面と載置面との間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給路とを有する、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の処理装置。
21. 被処理体に対して所望のプラズマ処理が開始される前に、前記冷媒温度制御部により前記第１の流路を流れる冷媒を加熱して前記被処理体の温度を処理用の設定処理温度まで立ち上げ、
    前記プラズマ処理が開始してからそれ以降も処理が終了するまで前記被処理体の温度が前記設定処理温度に実質的に保たれるように前記冷媒温度制御部により前記第１の流路を流れる冷媒に対する加熱を漸次的に弱める、
    請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の処理装置。
22. コンピュータ上で動作し、実行時に、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の載置台温度制御方法が行われるように、コンピュータに載置台温度制御装置を制御させることを特徴とする制御プログラム。

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