JP5905735B2 - 基板処理装置、基板処理方法及び基板温度の設定可能帯域の変更方法 - Google Patents

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、基板処理装置、基板処理方法及び基板温度の設定可能帯域の変更方法に関するものである。

基板処理装置は真空環境の維持を可能とする処理容器を備えており、その処理容器内部（処理空間）に配置された載置台に基板を配置して、上部及び下部からのＲＦ電力供給によるプラズマ処理等を行う構成が一般的である。載置台は、処理空間内で基板を保持する基板保持機能、及びＲＦ電極としての電力供給機能だけでなく、基板を所定の温度に設定する温度調整機能が要求されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

特許文献１記載の装置は、基板支持面を有する静電チャック、及び、静電チャックの裏面に接着剤を介して接続された基台及び温度制御システムを有する。静電チャックは、その内部に中心加熱素子及び端部加熱素子を有する。中心加熱素子は、基板支持面の中心領域の下方に位置し、端部加熱素子は、基板支持面の端部の下方に位置する。また、基台は、その内部に冷却素子を有する。中心加熱素子、端部加熱素子及び冷却素子は、温度制御システムにより制御され、この制御によって基板は所定の温度に設定される。静電チャックはセラミックで形成され、基台はアルミで形成される。

特許文献２記載の装置は、その内部に熱媒体の２系統の循環流路が形成された基台、及び２系統の循環流路へ熱媒体をそれぞれ供給する温度調節ユニットを備えている。一方の循環流路は、基台の中央部に形成され、他方の循環流路は、基台の側方部に形成される。温度調節ユニットは、熱媒体を加熱する加熱部、熱媒体を冷却する冷却部、並びに加熱部及び冷却部をバイパスさせるバイパス流路を備える。それぞれの循環流路の出口から流出した熱媒体は、温度調節ユニットへ供給されて合流し、熱媒体を加熱する加熱部、熱媒体を冷却する冷却部、又はバイパス流路へ供給される。また、それぞれの循環流路の入口には、加熱部から供給される熱媒体、冷却部から供給される熱媒体及びバイパス流路より供給される熱媒体を合流させる流量調整バルブが配置されている。この構成により、温調された熱媒体及び循環された熱媒体を合流させて所定の温度の熱媒体とし、それぞれの循環流路へ供給する。

特許文献３記載の装置は、その内部に熱媒体の２系統の循環流路が形成された基台を有する。一方の循環流路は、基台の中央部に位置する第１の熱ゾーンに形成され、他方の循環流路は、基台の側方部に位置する第２の熱ゾーンに形成される。それぞれの循環流路は、熱交換器に独立して接続されており、熱媒体の速度（流量）もしくは熱媒体の温度又はこれらの組み合わせが調整されることにより、所定の基板温度が達成される。

特開２００８−８５３２９号公報 特開２００９−１１７４４３号公報 特開２００８−５０９５５３号公報

特許文献１記載の載置台は、基板保持機能、電力供給機能及び温度調整機能等を実現するために、複数の構成部材が接着剤で接合されて積み上げられた積層構造とされている。構成部材間を接合する接着剤には、接着力を安定して発揮可能な耐熱温度がある。このため、接着剤近傍の温度が耐熱温度以上となった場合には、接着力が低下して部材剥がれが生じるおそれがある。そして、構成部材の物性値である熱伝達率が著しく低くなる場合は熱量の移動が妨げられるので、基板に要求される温度調整範囲を実現できないおそれがある。また、特許文献１〜３記載の冷却器には特有の冷却能力、つまり単位時間あたりに基板から奪う熱量の限界もある。このため、冷却器の冷却可能温度よりも高い温度の範囲では冷却制御を行うことができない。

このように、静電チャックを構成する部材、接着剤の材料特有の物性値、冷却器の冷却能力によって、温度調整機能によって実現される基板温度の温度調整範囲は制約を受けることになる。このため、簡易な構成で基板の温度調整範囲の制限を緩和させることができる基板処理装置が望まれている。

本発明の一側面に係る基板処理装置は、処理容器、載置台、チラー、第１流路、第２流路、バイパス流路及び流量調整バルブを備える。処理容器は、処理空間を画成する。載置台は、基台及び静電チャックを有する。基台は、処理空間内に配置され、入口及び出口まで延在する冷媒用の流路がその内部に設けられている。静電チャックは、基台の上面に接着剤を介して設けられ、その内部又は下面にヒータが設けられている。チラーは、冷却能力が飽和する温度より小さい温度に冷媒の温度を制御する本体部及び冷媒を搬送するポンプを有する。第１流路は、チラーと入口とを接続する。第２流路は、チラーと出口とを接続する。バイパス流路は、第１流路の中間から分岐して第２流路の中間に接続する。流量調整バルブは、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量を制御する。

この基板処理装置では、チラーと冷媒用の流路の入口とを接続する第１流路と、チラーと冷媒用の流路の出口とを接続する第２流路が、バイパス流路によって接続されており、流量調整バルブによって、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量が制御される。すなわち、流量調整バルブによって冷媒用の流路へ流入させる冷媒の流量が調整される。このように冷媒の流量を変更することで載置台の熱伝達率を変更することができる。例えば、載置台の熱伝達率を小さく変更することによって、接着剤の耐熱温度以下におけるヒータの温度調整範囲がチラーの冷却能力によって制限されることを回避することができる。よって、簡易な構成で基板の温度調整範囲の制限を緩和させることができる。

一実施形態では、ポンプは、一定流量である第１流量で冷媒を搬送し、流量調整バルブは、バイパス流路へ冷媒を流入させることで、第１流量よりも小さい第２流量の冷媒を冷媒用の流路へ流入させてもよい。このように構成することで、チラーの冷却能力を低下させることなく、バルブ制御のみで載置台の熱伝達率を変更することができる。

一実施形態では、基板処理装置は、ガス供給部、第１電極、電源及び制御部をさらに備えてもよい。ガス供給部は、処理空間内に処理ガスを供給する。第１電極は、処理空間に設けられる。電源は、第１電極及び基台に電圧を印加する。制御部は、流量調整バルブを制御する。ここで、制御部は、プロセス処理中の冷媒温度、電源の印加電力及び基板温度の目標温度に基づいて、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量を制御してもよい。このように構成することで、冷媒温度及び電源の印加電力に基づいて定まる基板温度が目標温度を達成することができるように、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量を制御することができる。

一実施形態では、制御部は、ヒータに接続され、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量及び目標温度に基づいてヒータの発熱量を制御してもよい。このように構成することで、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量に依存したヒータの温度調整範囲内において該ヒータを制御することができる。

一実施形態では、静電チャックは、基板を支持する基板支持面と、基板支持面の周囲に形成されたフォーカスリング支持面とを有し、ヒータ及び冷媒による温度制御可能な領域が、基板支持面及びフォーカスリング支持面であってもよい。このように構成することで、基板及びフォーカスリングの温度差を任意に制御することができる。

一実施形態では、ヒータは、基板支持面及びフォーカスリング支持面の下方にそれぞれ配置されてもよい。また、一実施形態では、基板支持面の下方に配置されたヒータから基台までの厚さ方向の構造と、フォーカスリング支持面の下方に配置されたヒータから基台までの厚さ方向の構造とが同一であってもよい。このように構成することで、基板及びフォーカスリングの下方の構造を略同一とすることができるため、載置台の熱伝達率を均一化することができる。

また、本発明の別の側面に係る基板処理方法は、基板処理装置を用いる。該基板処理装置は、処理容器、載置台、チラー、第１流路、第２流路、バイパス流路及び流量調整バルブを備える。処理容器は、処理空間を画成する。載置台は、基台及び静電チャックを有する。基台は、処理空間内に配置され、入口及び出口まで延在する冷媒用の流路がその内部に設けられている。静電チャックは、基台の上面に接着剤を介して設けられ、その内部又は下面にヒータが設けられている。チラーは、冷却能力が飽和する温度より小さい温度に冷媒の温度を制御する本体部及び冷媒を搬送するポンプを有する。第１流路は、チラーと入口とを接続する。第２流路は、チラーと出口とを接続する。バイパス流路は、第１流路の中間から分岐して第２流路の中間に接続する。流量調整バルブは、バイパス流路へ流入させる冷媒の流量を制御する。ここで、該基板処理方法は、基板温度を上昇させる際には、流量調整バルブを制御して基台へ流入する流量を第１流量よりも小さい第２流量へ変更するステップを備える。

この基板処理方法では、基板温度を上昇させる際には、流量調整バルブを制御して基台へ流入する流量を第１流量よりも小さい第２流量へ変更することで、載置台の熱伝達率を第１熱伝達率よりも低い第２熱伝達率へ変更し、接着剤の材料に起因する耐熱温度以下でのヒータによる基板温度の設定可能帯域を拡大させる。このため、例えばプロセス処理ごとに段階的に基板温度を上昇させる場合において、載置台の熱伝達率を変更してプロセス処理ごとに異なる目標の基板温度が何れもヒータの基板温度の設定可能帯域に含まれるように制御することができる。このように、簡易な構成で基板の温度調整範囲の制限を緩和させることができる。

また、本発明のさらに別の側面に係る基板温度の設定可能帯域の変更方法は、基板処理装置を用いる。該基板処理装置は、処理容器、載置台及びチラーを備える。処理容器は、処理空間を画成する。載置台は、基台及び静電チャックを有する。基台は、処理空間内に配置され、入口及び出口まで延在する冷媒用の流路がその内部に設けられている。静電チャックは、基台の上面に接着剤を介して設けられ、その内部又は下面にヒータが設けられている。チラーは、冷却能力が飽和する温度より小さい温度に冷媒の温度を制御する本体部及び冷媒を搬送するポンプを有する。ここで、該方法は、基台へ流入する冷媒の流量を第１流量よりも小さい第２流量へ変更させることで、載置台の熱伝達率を第１熱伝達率よりも低い第２熱伝達率へ変更し、接着剤の材料に起因する耐熱温度以下でのヒータによる基板温度の設定可能帯域を拡大させるステップを備える。

この基板温度の設定可能帯域の変更方法では、基台へ流入する冷媒の流量を第１流量よりも小さい第２流量へ変更させることで、載置台の熱伝達率を第１熱伝達率よりも低い第２熱伝達率へ変更し、接着剤の材料に起因する耐熱温度以下でのヒータによる基板温度の設定可能帯域を拡大させる。このため、例えばプロセス処理ごとに載置台の熱伝達率を変更してプロセス処理ごとに異なる目標の基板温度が何れもヒータの基板温度の設定可能帯域に含まれるように制御することができたり、装置構成を変更することなく装置に要求される目標の基板温度を幅広く達成することが可能となる。このように、簡易な構成で基板の温度調整範囲の制限を緩和させることができる。

以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、簡易な構成で基板の温度調整範囲の制限を緩和させることができる。

一実施形態に係る基板処理装置を概略的に示す図である。 図１の静電チャック及び基台の一部拡大断面図である。 図２のヒータの温度調整領域を説明する概要図である。 基板中央、基板エッジ及びフォーカスリングの温度差を説明するグラフである。（Ａ）は図１の載置台のグラフであり、（Ｂ）は従来の載置台のグラフである。 冷却用の流路に接続される冷却システムの概要図である。 基板温度と冷媒温度との温度差を説明する概要図である。 一般的なチラーの冷却能力を説明する概要図である。 ヒータの温度調整範囲を説明するグラフである。 ヒータの温度調整範囲を説明するグラフである。（Ａ）は載置台の熱伝達率を５００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］とした場合のグラフ、（Ｂ）は載置台の熱伝達率を２４０［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］とした場合のグラフである。 熱伝達率５００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］と熱伝達率２４０［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］の載置台を用いた場合のヒータの温度調整範囲を比較したグラフである。 基板温度の設定可能帯域の変更方法を説明するフローチャートである。 （Ａ）は、第１のＲＦ装置における基板温度の時間依存性であり、（Ｂ）は、第２のＲＦ装置における基板温度の時間依存性である。 基板処理方法を説明するタイミングチャートである。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図１では、一実施形態に係るプラズマ処理装置の断面が示されている。図１に示すプラズマ処理装置１０は、平行平板型のプラズマ処理装置である。

プラズマ処理装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、略円筒形状を有しており、その内部空間として処理空間Ｓを画成している。プラズマ処理装置１０は、処理容器１２内に、略円板形状の基台１４を備えている。基台１４は、処理空間Ｓの下方に設けられている。基台１４は、例えばアルミニウム製であり、第２の電極（下部電極）を構成している。基台１４は、プロセスにおいて後述する静電チャック５０の熱を放熱して、静電チャック５０を冷却する機能を有する。

基台１４の内部には、冷媒用の流路１５が形成されている。冷媒用の流路１５の入口及び出口には、冷媒入口配管、冷媒出口配管が接続され、チラー（冷却器）によって冷媒が供給される。冷媒用の流路１５の中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、基台１４及び静電チャック５０を所定の温度に制御可能な構成とされている。

一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、筒状保持部１６及び筒状支持部１７を更に備えている。筒状保持部１６は、基台１４の側面及び底面の縁部に接して、基台１４を保持している。筒状支持部１７は、処理容器１２の底部から垂直方向に延在し、筒状保持部１６を介して基台１４を支持している。

一実施形態においては、処理容器１２の側壁と筒状支持部１７との間には、排気路２０が形成されている。排気路２０の入口又はその途中には、バッフル板２２が取り付けられている。また、排気路２０の底部には、排気口２４が設けられている。排気口２４は、処理容器１２の底部に嵌め込まれた排気管２８によって画成されている。この排気管２８には、排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、真空ポンプを有しており、処理容器１２内の処理空間Ｓを所定の真空度まで減圧することができる。処理容器１２の側壁には、ウェハ（基板）Ｗの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。

基台１４には、プラズマ生成用の高周波電源３２が整合器３４を介して電気的に接続されている。高周波電源３２は、所定の高周波数（例えば２７ＭＨｚ以上）の高周波電力を第２の電極、即ち、基台１４に印加する。

プラズマ処理装置１０は、更に、処理容器１２内にシャワーヘッド３８を備えている。シャワーヘッド３８は、処理空間Ｓの上方に設けられている。シャワーヘッド３８は、電極板４０及び電極支持体４２を含んでいる。

電極板４０は、略円板形状を有する導電性の板であり、第１電極（上部電極）を構成している。電極板４０には、プラズマ生成用の高周波電源３５が整合器３６を介して電気的に接続されている。高周波電源３５は、所定の高周波数（例えば２７ＭＨｚ以上）の高周波電力を電極板４０に印加する。高周波電源３２及び高周波電源３５によって基台１４及び電極板４０に高周波電力がそれぞれ与えられると、基台１４と電極板４０との間の空間、即ち、処理空間Ｓには高周波電界が形成される。

電極板４０には、複数のガス通気孔４０ｈが形成されている。電極板４０は、電極支持体４２によって着脱可能に支持されている。電極支持体４２の内部には、バッファ室４２ａが設けられている。プラズマ処理装置１０は、ガス供給部４４を更に備えており、バッファ室４２ａのガス導入口２５にはガス供給導管４６を介してガス供給部４４が接続されている。ガス供給部４４は、処理空間Ｓに処理ガスを供給する。ガス供給部４４は、例えば、ＣＦ系のエッチングガス等を供給し得る。電極支持体４２には、複数のガス通気孔４０ｈにそれぞれ連続する複数の孔が形成されており、当該複数の孔はバッファ室４２ａに連通している。したがって、ガス供給部４４から供給されるガスは、バッファ室４２ａ、ガス通気孔４０ｈを経由して、処理空間Ｓに供給される。

一実施形態においては、処理容器１２の天井部に、環状又は同心状に延在する磁場形成機構４８が設けられている。この磁場形成機構４８は、処理空間Ｓにおける高周波放電の開始（プラズマ着火）を容易にして放電を安定に維持するよう機能する。

一実施形態においては、基台１４の上面に接着剤９０を介して静電チャック５０が設けられている。静電チャック５０は、略円板状の部材であって、円板の中心領域には円柱状の凸部が形成されている。静電チャック５０の上面には、ウェハＷ及びフォーカスリング１８が載置される。静電チャック５０は、電極５２、並びに、一対の絶縁膜５４ａ及び５４ｂを含んでいる。絶縁膜５４ａ及び５４ｂは、セラミック等の絶縁体により形成される膜である。電極５２は、導電膜であり、絶縁膜５４ａと絶縁膜５４ｂの間に設けられている。この電極５２には、スイッチＳＷを介して直流電源５６が接続されている。直流電源５６から電極５２に直流電圧が与えられると、クーロン力が発生し、当該クーロン力によってウェハＷが静電チャック５０の上面に吸着保持される。静電チャック５０の内部又は下面には、加熱素子であるヒータ９１ａ〜９１ｃが設けられる。ヒータ９１ａ〜９１ｃは、配線を介してヒータ電源９２に接続される。ヒータ９１ａ〜９１ｃにより、静電チャック５０の上面に載置されるフォーカスリング１８及びウェハＷを所定温度にそれぞれ加熱できる。フォーカスリング１８は、例えば、シリコン又は石英から構成され得る。基台１４及び静電チャック５０は、載置台７０を構成している。

一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、ガス供給ライン５８及び６０、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４を更に備えている。伝熱ガス供給部６２は、ガス供給ライン５８に接続されている。このガス供給ライン５８は、静電チャック５０の上面まで延びて、当該上面の中央部分において環状に延在している。伝熱ガス供給部６２は、例えばＨｅガスといった伝熱ガスを、静電チャック５０の上面とウェハＷとの間に供給する。また、伝熱ガス供給部６４はガス供給ライン６０に接続されている。ガス供給ライン６０は、静電チャック５０の上面まで延びて、当該上面においてガス供給ライン５８を囲むように環状に延在している。伝熱ガス供給部６４は、例えばＨｅガスといった伝熱ガスを、静電チャック５０の上面とウェハＷとの間に供給する。

一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、制御部６６を更に備えている。この制御部６６は、排気装置２６、スイッチＳＷ、高周波電源３２、整合器３４、高周波電源３５、整合器３６、ガス供給部４４、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４に接続されている。制御部６６は、排気装置２６、スイッチＳＷ、高周波電源３２、整合器３４、高周波電源３５、整合器３６、ガス供給部４４、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４のそれぞれに制御信号を送出する。制御部６６からの制御信号により、排気装置２６による排気、スイッチＳＷの開閉、高周波電源３２からの電力供給、整合器３４のインピーダンス調整、高周波電源３５からの電力供給、整合器３６のインピーダンス調整、ガス供給部４４による処理ガスの供給、伝熱ガス供給部６２及び６４それぞれによる伝熱ガスの供給が制御される。さらに、制御部６６によって載置台７０の熱伝達率の制御及び基板温度の制御が行われる。この詳細については後述する。

このプラズマ処理装置１０では、ガス供給部４４から処理空間Ｓに処理ガスが供給される。また、電極板４０と基台１４との間、即ち処理空間Ｓにおいて高周波電界が形成される。これにより、処理空間Ｓにおいてプラズマが発生し、処理ガスに含まれる元素のラジカル等（例えば、酸素ラジカル）により、ウェハＷのエッチングが行われる。

次に、載置台７０の構成について詳細に説明する。図２は、図１に示す載置台７０の一部拡大断面図である。図２に示すように、基台１４の内部には冷媒用の流路１５が形成されている。流路１５は、循環流路であって、基台１４の上面１４ａ側からみて全面に配置されるように渦巻き状に旋回されている。流路１５は、略同一の矩形の断面を有し、断面積が管路全体にわたって略同一とされている。

基台１４の上面１４ａには、接着剤９０を介して静電チャック５０が設けられている。静電チャック５０の凸部内部には、電極５２が設けられている。このため、静電チャック５０の円柱状の凸部上面が基板支持面５０ａとされる。そして、基板支持面５０ａの周囲の環状の上面がフォーカスリング１８を載置するフォーカスリング支持面５０ｂとなる。

ヒータ９１ａは、静電チャック５０の下面５０ｃに取り付けられ、基板支持面５０ａのセンター領域Ｒ１の下方に配置される。また、ヒータ９１ｂは、静電チャック５０の下面５０ｃに取り付けられ、基板支持面５０ａのエッジ領域Ｒ２の下方に配置される。さらに、ヒータ９１ｃは、静電チャック５０の下面５０ｃに取り付けられ、フォーカスリング支持面５０ｂ（領域Ｒ３）の下方に配置される。なお、ヒータ９１ａ〜９１ｃは、静電チャック５０の内部に配置してもよい。また、ヒータ９１ａ〜９１ｃの近傍には、温度センサ９３ａ〜９３ｃが設けられている。温度センサ９３ａ〜９３ｃが制御部６６に接続されることでヒータ加熱温度がモニタリングされる。

図３は、ヒータ９１ａ〜９１ｃの温度調整範囲を説明する概要図であり、載置台７０の平面図である。図３に示すように、ヒータ９１ａによって基板支持面５０ａのセンター領域Ｒ１が温度制御され、ヒータ９１ｂによって基板支持面５０ａのエッジ領域Ｒ２が温度制御され、ヒータ９１ｃによってフォーカスリング支持面５０ｂ（領域Ｒ３）が温度制御される。センター領域Ｒ１の外径Ｄ１は例えば約２６０ｍｍ、エッジ領域Ｒ２の外径Ｄ２は、例えば約３００ｍｍ、フォーカスリング支持面５０ｂ（領域Ｒ３）の外径Ｄ３は、例えば約３５０ｍｍとされる。

フォーカスリング支持面５０ｂには、静電チャック５０及び基台１４を挿通する貫通孔が形成されており、この貫通孔内部にリフトピン１００が収容されている。リフトピン１００はフォーカスリング１８の交換に用いられる。フォーカスリング１８は、上部リング部材１８ａ及び下部リング部材１８ｂを有する。上部リング部材１８ａは、リング状の部材であって、基板支持面５０ａに支持されたウェハＷの周囲を囲むように配置される。上部リング部材１８ａの上面は、ウェハＷの上面と略同一の高さとされる。下部リング部材１８ｂは、上部リング部材１８ａに対応したリング形状を有している。下部リング部材１８ｂは、上述したリフトピン１００の貫通孔に対応する位置に上下に貫通する貫通孔が形成されている。リフトピン１００が上昇するとき、リフトピン１００の先端が、上部リング部材１８ａの穴部の上面を押し上げることによって、上部リング部材１８ａが上昇する。

上述した載置台７０は、基板支持面５０ａ及びフォーカスリング支持面５０ｂの下部構造及び温調機能が略同一とされているため、基板支持面５０ａ及びフォーカスリング支持面５０ｂの全面にわたって同一の温調機能を個別に制御することが可能となる。図４は、載置台における温度差の位置依存性を示す棒グラフである。図４では、領域Ｒ１（Ｃｅｎｔｅｒ）、領域Ｒ２（Ｅｄｇｅ）、領域Ｒ３（ＦＲ）ごとのウェハＷ又はフォーカスリング１８と冷媒までの温度差を棒グラフで示している。Ｍ１は基台の熱伝達率、Ｍ２は接着剤の熱伝達率、Ｍ３はウェハＷ又はフォーカスリング１８の支持面を構成する部材（静電チャック）の熱伝達率である。なお、熱伝達率は、単位面積、単位温度及び単位時間あたりの伝熱量［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］である。三角Ｐ１〜Ｐ４は、温度モニタ点である。

従来の載置台では、ウェハＷ又はフォーカスリング１８に要求される温度調整範囲が異なるという理由から、それぞれの領域に個別に温度制御機能を組み込んでいる。例えば、図４の（Ｂ）に示すように、フォーカスリング１８のみに、ヒータ９１を組み込んでいる。すなわち、基板支持面５０ａ及びフォーカスリング支持面５０ｂの下部構造が異なり、さらには温度モニタ点も異なる構成となる。従って、基板支持面５０ａ及びフォーカスリング支持面５０ｂを同一温度に制御することは困難であり、両者の温度差がウェハＷのエッジ領域の温度に影響を与えるおそれがある。また、仮に基板支持面５０ａの下部にヒータを備え、温度モニタ点をＰ４の位置にそろえた場合であっても、範囲Ｈ２で示す部材（ヒータの温度調整範囲に影響する熱伝達率を決定する部材）が異なることから、同一の温度制御を行うことはできない。

これに対して、図１に示す載置台７０は、図４の（Ａ）に示すように、基板支持面５０ａ及びフォーカスリング支持面５０ｂの下部構造（厚さ方向の構造）が同一とされる。範囲Ｈ１で示す部材（ヒータの温度調整範囲に影響する熱伝達率を決定する部材）を同一とすることで、基板支持面５０ａ及びフォーカスリング支持面５０ｂの全面にわたって同一の温度制御を個別にすることが可能となる。

次に、基台１４の冷媒用の流路１５に接続される冷却システムについて概説する。図５は、冷却システムの概要図である。図５に示すように、基台１４には、冷媒用の流路１５が設けられており、流路１５へ冷却システムから冷媒が供給されることで基台１４上面から熱を奪う。冷却システムは、チラー９９、第１流路９４、第２流路９５、バイパス流路９６及び流量調整バルブ９８を備える。チラー９９は、冷媒の温度を制御する本体部、及び冷媒を搬送するポンプを有する。ポンプは、一定流量である第１流量で冷媒を搬送し得る。一定流量は定格流量であって例えば２０［ｌ／ｍｉｎ］である。第１流路９４は、チラー９９と入口１５ａとを接続する。第２流路９５は、チラー９９と出口１５ｂとを接続する。バイパス流路９６は、第１流路９４の中間から分岐して第２流路９５の中間に接続する。流量調整バルブ９８は、開閉量を調整可能なバルブであり、バイパス流路９６へ流入させる冷媒の流量を制御する。チラー９９及び流量調整バルブ９８は、制御部６６に接続されており、制御部６６がバイパス流路９６へ流入させる冷媒の流量を制御することができる。

流量調整バルブ９８を閉とした場合には、チラー９９から搬出された第１流量の冷媒は、第１流路９４を通り冷却用の流路１５へ供給される。そして、冷却用の流路１５内を流通し、第２流路９５を通りチラー９９へ戻される。一方、流量調整バルブ９８を所定量の冷媒が流通可能に開けた場合には、一部の冷媒がバイパス流路９６へ流入し、冷却用の流路１５を流通することなくチラー９９へ戻される。このとき冷媒用の流路１５へ供給される冷媒の量は、第１流量よりも小さい第２流量となる。チラー９９から供給される冷媒流量を単純に下げた場合には、冷却能力、すなわち単位時間あたりに物体から奪う熱の量［Ｗ］も減少するおそれがある。バイパス流路９６を用いることでチラー９９の定格流量を保ちながら冷媒用の流路１５へ供給される冷媒の量を減少させることができる。

上述のように冷却用の流路１５へ供給される冷媒の量を制御した場合、載置台７０の熱伝達率を変化させることができる。以下、詳細を説明する。基台１４内部の流路１５を流れる冷媒は、非粘性流（主流）である。一方、流路１５の内壁面と接触する近傍の冷媒（境界層）においては、粘性抵抗を持つ粘性流となる。すなわち内壁面と冷媒との界面は速度０となり、主流に近づくほど冷媒の流速は主流の流速に近づく。境界層の厚さは、主流と内壁との速度差が影響を与える。すなわち、主流の流速が大きい場合には境界層の厚さは小さくなる傾向にあり、境界層の厚さは速度の関数で表すことができる。流速は流路１５の断面積と流量によって決定されるため、断面積一定の条件下で流量を変更すると、速度が変化し、境界層の厚さが変化する。ここで、境界層の厚さは、熱伝達率に影響を与える。境界層の厚さが大きくなるほど熱伝達率は低くなる（すなわち熱を伝達しにくくなる）。よって、冷媒の流量を変化させることで載置台７０の熱伝達率を変化させることができる。

載置台７０の熱伝達率を変化させることによって、ヒータ９１ａ〜９１ｃの温度調整範囲を変更することができる。以下、熱伝達率の変更によるヒータの温度調整範囲の制御について説明する。まず、熱伝達率とウェハ温度（基板温度）との関係について概説する。熱伝達率とフォーカスリング１８の温度との関係については、熱伝達率とウェハ温度との関係と同一であるため、以下ではウェハ温度のみ説明する。図６は、基板温度Ｔ１と冷媒温度Ｔ２との温度差ΔＴを説明する概要図である。図６に示すように、プラズマ等に起因したウェハＷへの単位面積当たりの入熱量を＋ｑ［Ｗ／ｍ^２］とし、ウェハＷと冷媒との間の単位面積当たりの熱抵抗（熱伝達率Ｋ［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］の逆数）をＲとすると、ΔＴ＝ｑ・Ｒ＝ｑ／Ｋとなる。すなわち、熱伝達率Ｋと入熱ｑとが定まれば、基板温度Ｔ１と冷媒温度Ｔ２との温度差ΔＴを求めることができる。

ここで、入熱ｑは、経験上、高周波電源３２及び高周波電源３５の合計電力［Ｗ］の半分程度となる。また、熱伝達率Ｋは、載置台７０の材料で決定される。このため、プラズマ処理時の電力と熱伝達率Ｋとを定めることで、温度差ΔＴを求めることができる。そして、温度差ΔＴに冷媒温度Ｔ２を加算することで、基板温度Ｔ１を求めることができる。

なお、基板温度Ｔ１は、載置台７０の物性特有の温度制限によって制限される。例えば、接着剤９０の耐熱温度以上に上げることはできない。また、チラー９９の冷却能力は、一般的に冷媒温度Ｔ２を下げるとある冷媒温度を境に低下する傾向にある。図７に冷媒能力の冷媒温度依存性の一例を示す。図７に示すように、冷却能力は、冷媒温度Ｔ２が２０℃以上の場合にはほぼ一定の値となるが、冷媒温度Ｔ２が２０℃より小さい場合には、線形的に低下する。なお、図７に示す冷却能力は一例であって、冷却能力の変曲点は２０℃に限られない。冷却システムを用いて温度を制御するためには、冷却能力以上に入熱することはできない。すなわち、基板温度Ｔ１を制御する場合には、接着剤９０の耐熱温度の限界だけでなく、チラー９９の冷却能力の限界も考慮する必要がある。

図８は、載置台７０の熱伝達率Ｋを５００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］とした場合のヒータの温度調整範囲を説明するグラフである。図８の横軸は冷媒温度であり、縦軸は基板温度である。入熱量ｑを０［Ｗ］とすると、熱伝達率Ｋのみで温度差ΔＴを求めることができる。実線で示すグラフは、プラズマ入熱がない場合（ｑ＝０）における基板温度の冷媒温度依存性である。一方、入熱量ｑを所定値とした場合には、ΔＴ＝ｑ／Ｋの関係式を用いて温度差ΔＴを求めることができる。点線で示すグラフは、プラズマ入熱がある場合（ここではｑ＝１５００［Ｗ］）における基板温度の冷媒温度依存性である。なおプラズマ入熱は１５００［Ｗ］でなくてもよくプロセス条件に応じて変更可能である。一方、冷却システムの冷却能力の最大値が、入熱量の限界となる。ここでいう入熱量は、プラズマ入熱のみならずヒータによる入熱も含まれる。仮にチラー９９の冷却能力を図７に示すグラフの通りであるとした場合、１点鎖線で示すグラフが冷却能力限界すなわち図７に示す冷却能力で冷却することができる最大基板温度となる。また、２点鎖線で示すグラフが接着剤９０の耐熱温度であり、ここでは一例として１５０℃としている。上述した温度制限が存在するため、１点鎖線及び２点鎖線で示すグラフよりも小さい温度で、かつ、実線で示すグラフよりも大きい温度となる範囲が、ヒータによって入熱をすることができる範囲すなわちヒータ温度調整範囲となる。プラズマ入熱（ＲＦ入熱）がある場合には、１点鎖線及び２点鎖線で示すグラフよりも小さい温度で、かつ、点線で示すグラフよりも大きい温度となる範囲（図中Ｅ１）となる。ヒータに微量の電力を流して温調状態とする場合（ヒータ暖機運転時）も、上記のプラズマ入熱がある場合と同様に下限値が規制される。

図８に示すように、熱伝達率Ｋが５００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］となる載置台７０を採用した場合、冷媒温度がＺ１で示す温度（ここでは５℃）以下となると接着剤９０の耐熱温度よりも冷却能力の限界温度が下回ることになる。図９の（Ａ）は、図８のグラフに図７の冷却能力を重ねたグラフである。図９に示すように、チラー９９の冷却能力に変曲点（すなわち冷却能力が飽和する温度）がある場合、当該変曲点を下回る温度範囲に冷媒温度を制御するとＺ２で示す温度（ここでは５℃）以下で冷却能力の限界温度と接着剤９０の耐熱温度とが逆転する現象が発生する。これによって、ヒータの温度調整範囲がＥ２で示す範囲となる。

一方、載置台７０の熱伝達率Ｋを小さくすると（例えば第１熱伝達率から第１熱伝達率よりも小さい第２熱伝達率とすると）、冷却能力の限界温度と接着剤９０の耐熱温度とが逆転する冷媒温度をより低くすることが可能となる。図９の（Ｂ）は、載置台７０の熱伝達率Ｋを２４０［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］とした場合のヒータの温度調整範囲を説明するグラフである。その他の条件は図８と同一である。図９の（Ｂ）に示すように、熱伝達率Ｋが２４０［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］となる載置台７０では、冷却能力の限界温度と接着剤９０の耐熱温度とが逆転する冷媒温度Ｚ３が−１２℃付近であることがわかる。このため、ヒータの温度調整範囲がＥ３で示す範囲となる。すなわち、熱伝達率Ｋが小さい載置台７０の場合には、低い冷媒温度であってもヒータを用いて温度調整することができることがわかる。図１０は、図９の（Ａ）のグラフの一部と（Ｂ）のグラフの一部を重ねたグラフである。図１０を用いて、熱伝達率Ｋが２４０［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］となる載置台７０の最大基板温度と、熱伝達率Ｋが５００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］となる載置台７０の最大基板温度とを比較する。例えば、冷媒温度−１０℃付近で比較する。冷媒温度−１０℃の場合、熱伝達率Ｋが５００［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］となる載置台７０の最大基板温度は５５℃前後であるため、ヒータ温度調整範囲Ｘ１は約−５℃〜５５℃の範囲となる。一方、熱伝達率Ｋが２４０［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］となる載置台７０の最大基板温度は１５０℃前後であるため、ヒータ温度調整範囲Ｘ２は約−５℃〜１５０℃の範囲となる。このように、熱伝達率Ｋが異なるとヒータの温度調整範囲の上限値が異なるため、ヒータ温度調整範囲も大きく異なることになる。なお、図９の（Ａ），（Ｂ）に示すように、点線で示すプラズマ入熱がある場合や、ヒータ暖機運転時には、熱伝達率Ｋが低いほど基板温度が高くなるため、ヒータの温度調整範囲Ｅ３の下限値がヒータの温度調整範囲Ｅ２の下限値よりも小さくなる。すなわち、ヒータの温度調整範囲の下限値の方を小さくしたい場合には、熱伝達率Ｋが大きい載置台７０を採用すればよい。

ここで、上述したように、冷却用の流路１５へ供給される冷媒の量を制御した場合、載置台７０の熱伝達率を変化させることができる。このため、必要に応じて、冷媒の量を制御することでヒータの温度調整範囲を変更することができる。図１１は、ヒータの温度調整範囲の変更方法を説明するフローチャートである。図１１に示す制御処理は、例えば、プロセス処理前に実行される。図１１に示す制御処理は、制御部６６により実行される。なお、流量調整バルブ９８を閉とした場合の載置台７０の熱伝達率Ｋは既知であるとする。また、チラー９９の流量は変更されないものとする。

まず、図１１に示すように、制御部６６は、レシピ入力処理を行う（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理では、制御部６６は、例えば制御部６６に接続された記録媒体に記憶されたレシピを入力し、ウェハの目標基板温度、又は、プロセス時の目標温度及びプロセス時の印加電力を入力する。なお、これらの値はユーザ操作によって直接入力されてもよい。次に、制御部６６は、冷媒温度入力処理を行う（Ｓ１２）。Ｓ１２の処理では、冷媒温度の設定温度を例えばチラー９９から入力する。次に、制御部６６は、ヒータの温度調整範囲がプロセス温度を含むか否かを判定する。すなわち、Ｓ１０の処理で入力したプロセス温度がＳ１２の処理で設定された冷媒温度におけるヒータ温度調整範囲に含まれているか否かを判定する。Ｓ１４において温度調整範囲がプロセス温度を含む場合には、図１１に示す制御処理を終了する。一方、Ｓ１４において温度調整範囲がプロセス温度を含まない場合には、流量調整バルブ９８を調整する（Ｓ１６）。例えば、制御部６６は、流量調整バルブ９８を開制御することにより、熱伝達率Ｋを下げて、ヒータの温度調整範囲の上限値を拡大させ、Ｓ１０の処理で入力したプロセス温度がヒータの温度調整範囲に含まれるように動作する。Ｓ１６の処理が終了すると、図１１に示す制御処理を終了する。このようにプロセスの実行前に、載置台７０の熱伝達率Ｋを変更して基板温度の設定可能帯域を変更し、ヒータで温度調整できる構成とすることができる。

従来、同一のプラズマ入熱で異なる基板温度を実現するためには、基板温度ごとに最適な静電チャックをそれぞれ用意すること考えられている。例えば、図１２の（Ａ），（Ｂ）に示すように、同一のプラズマ入熱（電力一定）で異なる基板温度（ここでは５０℃、１００℃）を実現するためには、熱伝達率Ｋの異なる静電チャックをそれぞれ用意する必要がある。本実施形態に係る基板処理装置であれば、図１１の処理を実行して流量調整バルブ９８を調整することで、載置台７０の熱伝達率Ｋを制御することにより、異なる基板温度を同一の載置台７０で実現することができる。

また装置出荷時において図１１に示す処理を実行してもよい。これによって、静電チャック５０や載置台７０の熱伝達率に個体差があった場合であっても、載置台７０全体として同一の装置を提供することができる。

また、上述したバルブの調整による載置台７０の熱伝達率Ｋの変更は、プロセス処理中でも実行可能である。図１３は、ステップ温調プロセスの一例であり、横軸が時間、縦軸が基板温度を示すシーケンス図である。図１３に示すように、ウェハＷを搬入してから搬出するまでの間で、目標とする基板温度が異なる３つのプロセスＡ〜Ｃを実行する。制御部６６は、プロセスＡの終了時にバルブ制御Ａを行う。バルブ制御Ａでは、制御部６６が、図１１に示す制御処理を実行し、プロセス温度（６０℃）がヒータ温度調整範囲に含まれるように流量調整バルブ９８を開制御し、さらにセンサ９３ａ〜９３ｃの温度モニタ結果を参照し、ヒータ９１ａ〜９１ｃを制御してもよい。この場合、制御部６６は、流量調整バルブ９８の制御量（バイパス流路へ流入させる冷媒の流量）、温度モニタ結果及び目標温度に基づいてヒータの発熱量を制御することになる。また、制御部６６は、プロセスＢの終了時に、バルブ制御Ａと同様なバルブ制御Ｂを行ってもよい。さらに、プロセスＣの終了時に流量調整バルブ９８を閉（バルブ制御Ｃ）とし、基板温度が急速に下がるように制御してもよい。

ここで、熱伝達率Ｋを小さくすると載置台７０に熱が留まるため、基板温度と冷媒温度の温度差が大きくなる（すなわち基板温度が上昇する）。すなわち、ヒータの温度調整範囲を制御するだけでなく、基板温度を上昇させるために流量調整バルブ９８を開制御することも可能である。これにより、例えば上述した図１３に示すようなステップ温調するプロセス時において、ヒータ９１ａ〜９１ｃを用いることなく流量調整バルブ９８を調整することで最適な温度制御を実行することができる。例えば、制御部６６は、センサ９３ａ〜９３ｃの温度モニタ結果及び目標温度に基づいて、流量調整バルブ９８を開制御するだけでもよい（バルブ制御Ａ，Ｂ）。

以上、本実施形態に係る基板処理装置によれば、チラー９９と冷媒用の流路１５の入口１５ａとを接続する第１流路９４と、チラー９９と冷媒用の流路１５の出口１５ｂとを接続する第２流路９５が、バイパス流路９６によって接続されており、流量調整バルブ９８によって、バイパス流路９６へ流入させる冷媒の流量が制御され、冷媒用の流路１５へ流入させる冷媒の流量が調整される。冷媒の流量を変更することで載置台７０の熱伝達率Ｋを変更することができるため、例えば載置台７０の熱伝達率Ｋを小さく変更することによって、接着剤９０の耐熱温度以下におけるヒータ９１ａ〜９１ｃの温度調整範囲がチラー９９の冷却能力によって制限されることを回避することができる。よって、簡易な構成で基板の温度調整範囲の制限を緩和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ものではない。例えば、上記実施形態では、制御部６６によって流量調整バルブ９８を調整する例を説明したが、作業者等によって流量調整バルブ９８が調整されてもよい。

１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１４…基台、１５…冷媒用の流路、４４…ガス供給部、５０…静電チャック、５２…電極、６２，６４…伝熱ガス供給部、６６…制御部、７０…載置台、Ｓ…処理空間、Ｗ…ウェハ（基板）、９１ａ〜９１ｃ…ヒータ。

Claims (8)

1. 処理空間を画成する処理容器と、
   前記処理空間内に配置され、入口及び出口まで延在する冷媒用の流路がその内部に設けられた基台、及び、前記基台の上面に接着剤を介して設けられ、その内部又は下面にヒータが設けられた静電チャックを有する載置台と、
   冷却能力が飽和する温度より小さい温度に前記冷媒の温度を制御する本体部及び一定流量である第１流量で前記冷媒を搬送するポンプを有するチラーと、
   前記チラーと前記入口とを接続する第１流路と、
   前記チラーと前記出口とを接続する第２流路と、
   前記第１流路の中間から分岐して前記第２流路の中間に接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路へ流入させる前記冷媒の流量を制御する流量調整バルブと、
   前記処理空間内に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理空間に設けられた第１電極と、
   前記第１電極及び前記基台に電圧を印加する電源と、
   前記流量調整バルブを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記チラーの冷却能力で冷却することができる最大基板温度以下、かつ、前記接着剤の材料に起因する耐熱温度以下での前記ヒータによる基板温度の設定可能帯域がプロセス処理時の目標温度を含むか否かを判定し、
   前記設定可能帯域が前記目標温度を含まないと判定した場合、前記流量調整バルブを開制御し、前記バイパス流路へ前記冷媒を流入させることで、前記第１流量よりも小さい第２流量の前記冷媒を前記冷媒用の流路へ流入させる、
   基板処理装置。
2. 前記制御部は、プロセス処理中の冷媒温度、前記電源の印加電力及び前記目標温度に基づいて、前記バイパス流路へ流入させる前記冷媒の流量を制御する請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記制御部は、前記ヒータに接続され、前記バイパス流路へ流入させる前記冷媒の流量及び前記目標温度に基づいて前記ヒータの発熱量を制御する請求項２に記載の基板処理装置。
4. 前記静電チャックは、基板を支持する基板支持面と、前記基板支持面の周囲に形成されたフォーカスリング支持面とを有し、
   前記ヒータ及び前記冷媒による温度制御可能な領域が、前記基板支持面及び前記フォーカスリング支持面である請求項１〜３の何れか一項に記載の基板処理装置。
5. 前記ヒータは、前記基板支持面及び前記フォーカスリング支持面の下方にそれぞれ配置される請求項４に記載の基板処理装置。
6. 前記基板支持面の下方に配置された前記ヒータから前記基台までの厚さ方向の構造と、前記フォーカスリング支持面の下方に配置された前記ヒータから前記基台までの厚さ方向の構造とが同一である請求項５に記載の基板処理装置。
7. 基板処理装置を用いた基板処理方法であって、
   前記基板処理装置は、
   処理空間を画成する処理容器と、
   前記処理空間内に配置され、入口及び出口まで延在する冷媒用の流路がその内部に設けられた基台、及び、前記基台の上面に接着剤を介して設けられ、その内部又は下面にヒータが設けられた静電チャックを有する載置台と、
   冷却能力が飽和する温度より小さい温度に前記冷媒の温度を制御する本体部及び一定流量である第１流量で前記冷媒を搬送するポンプを有するチラーと、
   前記チラーと前記入口とを接続する第１流路と、
   前記チラーと前記出口とを接続する第２流路と、
   前記第１流路の中間から分岐して前記第２流路の中間に接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路へ流入する流量を制御する流量調整バルブと、
   前記処理空間内に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理空間に設けられた第１電極と、
   前記第１電極及び前記基台に電圧を印加する電源と、を含み、
   該基板処理方法は、
   前記チラーの冷却能力で冷却することができる最大基板温度以下、かつ、前記接着剤の材料に起因する耐熱温度以下での前記ヒータによる基板温度の設定可能帯域がプロセス処理時の目標温度を含むか否かを判定するステップと、
   前記判定するステップにて前記設定可能帯域が前記目標温度を含まないと判定した場合、前記流量調整バルブを開制御し、前記バイパス流路へ前記冷媒を流入させることで、前記第１流量よりも小さい第２流量の前記冷媒を前記冷媒用の流路へ流入させるステップと、
   を備える基板処理方法。
8. 基板処理装置の基板温度の設定可能帯域の変更方法であって、
   前記基板処理装置は、
   処理空間を画成する処理容器と、
   前記処理空間内に配置され、入口及び出口まで延在する冷媒用の流路がその内部に設けられた基台、及び、前記基台の上面に接着剤を介して設けられ、その内部又は下面にヒータが設けられた静電チャックを有する載置台と、
   冷却能力が飽和する温度より小さい温度に前記冷媒の温度を制御する本体部及び前記冷媒を搬送するポンプを有するチラーと、
   前記処理空間内に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理空間に設けられた第１電極と、
   前記第１電極及び前記基台に電圧を印加する電源と、
   を含み、
   該変更方法は、
   前記チラーの冷却能力で冷却することができる最大基板温度以下、かつ、前記接着剤の材料に起因する耐熱温度以下での前記ヒータによる基板温度の設定可能帯域がプロセス処理時の目標温度を含むか否かを判定するステップと、
   前記判定するステップにて前記設定可能帯域が前記目標温度を含まないと判定された場合、前記基台へ流入する前記冷媒の流量を第１流量よりも小さい第２流量へ変更させることで、前記載置台の熱伝達率を第１熱伝達率よりも低い第２熱伝達率へ変更し、前記設定可能帯域を拡大させるステップを備える基板温度の設定可能帯域の変更方法。