特開 2025-97525 プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025097525

(43)【公開日】2025-07-01

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20250624BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023213757

(22)【出願日】2023-12-19

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】三ツ森 章祥

(72)【発明者】

【氏名】孫 亮

(72)【発明者】

【氏名】有吉 文彬

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 徹治

【テーマコード（参考）】

5F004

【Ｆターム（参考）】

5F004AA16

5F004BA06

5F004BA09

5F004BB12

5F004BB13

5F004BB22

5F004BB23

5F004BB28

(57)【要約】

【課題】本開示は、上部電極部がプラズマからの入熱により変形することを抑制する技術を提供する。
【解決手段】基板支持部と、前記基板支持部に対向して設けられる上部電極部と、制御部と、を備え、前記上部電極部は、前記基板支持部の側から順に、電極プレートと、内部に伝熱流体が流れる冷却プレートと、ヒータと、を備え、前記制御部は、プラズマから前記上部電極部に入熱する熱量に応じて、前記ヒータの出力を制御するプラズマ処理装置。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板支持部と、
前記基板支持部に対向して設けられる上部電極部と、
制御部と、
を備え、
前記上部電極部は、前記基板支持部の側から順に、電極プレートと、内部に伝熱流体が流れる冷却プレートと、ヒータと、を備え、
前記制御部は、プラズマから前記上部電極部に入熱する熱量に応じて、前記ヒータの出力を制御する、
プラズマ処理装置。

【請求項2】

前記制御部は、プラズマから前記上部電極部に入熱する熱量が多くなると、前記ヒータの出力を増加させるように制御する、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記冷却プレートは、前記伝熱流体が流れる流路を有し、
前記流路は、前記冷却プレートにおける前記ヒータより前記電極プレートの近くに設けられる、
請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記ヒータから前記冷却プレートにおける前記流路までの距離は、前記電極プレートから前記冷却プレートにおける前記流路までの距離に前記ヒータからの熱量に対する前記プラズマからの熱量の比を乗じた距離より長い、
請求項３に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記制御部は、プラズマ生成後に前記ヒータの出力を増加させるように制御する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記冷却プレートは、金属により形成され、
前記電極プレートは、半導体により形成される、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

基板支持部と、前記基板支持部に対向して設けられる上部電極部と、制御部と、を備え、前記上部電極部は、前記基板支持部の側から順に、電極プレートと、内部に伝熱流体が流れる冷却プレートと、ヒータと、を備えるプラズマ処理装置における制御方法であって、
前記ヒータの出力を、プラズマから前記上部電極部に入熱する熱量に応じて制御する、
プラズマ処理装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、プラズマによって基板を処理する処理室を備える基板処理装置に配された電極ユニットであって、処理室側から順に配置された、処理室内に暴露される電極層、加熱層及び冷却層を有する電極ユニットが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－２１２３４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、上部電極部がプラズマからの入熱により変形することを抑制する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一の態様によれば、基板支持部と、前記基板支持部に対向して設けられる上部電極部と、制御部と、を備え、前記上部電極部は、前記基板支持部の側から順に、電極プレートと、内部に伝熱流体が流れる冷却プレートと、ヒータと、を備え、前記制御部は、プラズマから前記上部電極部に入熱する熱量に応じて、前記ヒータの出力を制御するプラズマ処理装置が提供される。

【発明の効果】

【0006】

本開示は、上部電極部がプラズマからの入熱により変形することを抑制する技術を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を含むプラズマ処理システムの構成を説明する図である。

【図2】図２は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について説明する図である。

【図3】図３は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について熱による変形状態を説明する図である。

【図4】図４は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について熱による変形状態を説明する図である。

【図5】図５は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について流路の位置について説明する図である。

【図6】図６は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について流路の位置について説明する図である。

【図7】図７は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について流路の位置について説明する図である。

【図8】図８は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の動作について説明する図である。

【図9】図９は、参考例のプラズマ処理装置の動作について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本開示を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。なお、理解を容易にするために、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。

【0009】

＜プラズマ処理システム＞
以下に、プラズマ処理システムの構成例について説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の一例であるプラズマ処理装置１を含むプラズマ処理システムの構成を説明する図である。

【0010】

プラズマ処理システムは、容量結合プラズマ処理装置１及び制御部２を含む。容量結合プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０、ガス供給部２０、電源３０及び排気システム４０を含む。また、プラズマ処理装置１は、伝熱流体供給部５０と、ヒータ電源部６０と、を含む。さらに、プラズマ処理装置１は、基板支持部１１及びガス導入部を含む。ガス導入部は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理チャンバ１０内に導入するように構成される。ガス導入部は、上部電極部の一例であるシャワーヘッド１３を含む。基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置される。シャワーヘッド１３は、基板支持部１１の上方に配置される。シャワーヘッド１３は、基板支持部１１に対向して設けられる。一実施形態において、シャワーヘッド１３は、プラズマ処理チャンバ１０の天部（ｃｅｉｌｉｎｇ）の少なくとも一部を構成する。プラズマ処理チャンバ１０は、シャワーヘッド１３、プラズマ処理チャンバ１０の側壁１０ａ及び基板支持部１１により規定されたプラズマ処理空間１０ｓを有する。プラズマ処理チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するための少なくとも１つのガス供給口と、プラズマ処理空間からガスを排出するための少なくとも１つのガス排出口とを有する。側壁１０ａは接地される。シャワーヘッド１３及び基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０筐体とは電気的に絶縁される。

【0011】

基板支持部１１は、本体部１１１及びリングアセンブリ１１２を含む。本体部１１１は、基板（ウェハ）Ｗを支持するための中央領域（基板支持面）１１１ａと、リングアセンブリ１１２を支持するための環状領域（リング支持面）１１１ｂとを有する。本体部１１１の環状領域１１１ｂは、平面視で本体部１１１の中央領域１１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、本体部１１１の中央領域１１１ａ上に配置され、リングアセンブリ１１２は、本体部１１１の中央領域１１１ａ上の基板Ｗを囲むように本体部１１１の環状領域１１１ｂ上に配置される。一実施形態において、本体部１１１は、基台及び静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置される。静電チャックの上面は、基板支持面１１１ａを有する。リングアセンブリ１１２は、１又は複数の環状部材を含む。１又は複数の環状部材のうち少なくとも１つはエッジリングである。また、図示は省略するが、基板支持部１１は、静電チャック、リングアセンブリ１１２及び基板のうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。また、基板支持部１１は、基板Ｗの裏面と基板支持面１１１ａとの間に伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を含んでもよい。

【0012】

シャワーヘッド１３は、ガス供給部２０からの少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓ内に導入するように構成される。シャワーヘッド１３は、少なくとも１つのガス供給口１３ａ、少なくとも１つのガス拡散室１３ｂ、及び複数のガス導入口１３ｃを有する。ガス供給口１３ａに供給された処理ガスは、ガス拡散室１３ｂを通過して複数のガス導入口１３ｃからプラズマ処理空間１０ｓ内に導入される。また、シャワーヘッド１３は、導電性部材を含む。シャワーヘッド１３の導電性部材は上部電極として機能する。シャワーヘッド１３は、電極プレート１３Ａと、冷却プレート１３Ｂと、ヒータ１３Ｃと、を備える。冷却プレート１３Ｂは、伝熱流体供給部５０から供給される伝熱流体が流れる流路１３ｒを備える。ヒータ１３Ｃは、ヒータ電源部６０から電力を供給される。なお、ガス導入部は、シャワーヘッド１３に加えて、側壁１０ａに形成された１又は複数の開口部に取り付けられる１又は複数のサイドガス注入部（ＳＧＩ：Ｓｉｄｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）を含んでもよい。

【0013】

ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２１及び少なくとも１つの流量制御器２２を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してシャワーヘッド１３に供給するように構成される。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスの流量を変調又はパルス化する１又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。

【0014】

電源３０は、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ１０に結合されるＲＦ電源３１を含む。ＲＦ電源３１は、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のような少なくとも１つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマが形成される。従って、ＲＦ電源３１は、プラズマ処理チャンバ１０において１又はそれ以上の処理ガスからプラズマを生成するように構成されるプラズマ生成部の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスＲＦ信号を基板支持部１１の導電性部材に供給することにより、基板Ｗにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオン成分を基板Ｗに引き込むことができる。

【0015】

一実施形態において、ＲＦ電源３１は、第１のＲＦ生成部３１ａ及び第２のＲＦ生成部３１ｂを含む。第１のＲＦ生成部３１ａは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に結合され、プラズマ生成用のソースＲＦ信号（ソースＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、ソースＲＦ信号は、１３ＭＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、異なる周波数を有する複数のソースＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のソースＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給される。第２のＲＦ生成部３１ｂは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材に結合され、バイアスＲＦ信号（バイアスＲＦ電力）を生成するように構成される。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、ソースＲＦ信号よりも低い周波数を有する。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第２のＲＦ生成部３１ｂは、異なる周波数を有する複数のバイアスＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のバイアスＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材に供給される。また、種々の実施形態において、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。

【0016】

また、電源３０は、プラズマ処理チャンバ１０に結合されるＤＣ電源３２を含んでもよい。ＤＣ電源３２は、第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂを含む。一実施形態において、第１のＤＣ生成部３２ａは、基板支持部１１の導電性部材に接続され、第１のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第１のバイアスＤＣ信号は、基板支持部１１の導電性部材に印加される。一実施形態において、第１のＤＣ信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に印加されてもよい。一実施形態において、第２のＤＣ生成部３２ｂは、シャワーヘッド１３の導電性部材に接続され、第２のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第２のＤＣ信号は、シャワーヘッド１３の導電性部材に印加される。種々の実施形態において、第１及び第２のＤＣ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。なお、第１及び第２のＤＣ生成部３２ａ，３２ｂは、ＲＦ電源３１に加えて設けられてもよく、第１のＤＣ生成部３２ａが第２のＲＦ生成部３１ｂに代えて設けられてもよい。

【0017】

排気システム４０は、例えばプラズマ処理チャンバ１０の底部に設けられたガス排出口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、圧力調整弁及び真空ポンプを含んでもよい。圧力調整弁によって、プラズマ処理空間１０ｓ内の圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

【0018】

伝熱流体供給部５０は、シャワーヘッド１３に設定した温度に調整した伝熱流体を供給する。また、伝熱流体供給部５０は、シャワーヘッド１３を通過した伝熱流体を回収する。そして、伝熱流体供給部５０は、回収した伝熱流体を設定した温度に調整し、再度、シャワーヘッド１３に供給する。

【0019】

ヒータ電源部６０は、ヒータ１３Ｃに電力を供給する。ヒータ電源部６０から供給される電力は、制御部２により制御される。

【0020】

制御部２は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部２は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御部２の一部又は全てがプラズマ処理装置１に含まれてもよい。制御部２は、例えばコンピュータ２ａを含んでもよい。コンピュータ２ａは、例えば、処理部（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２ａ１、記憶部２ａ２、及び通信インターフェース２ａ３を含んでもよい。処理部２ａ１は、記憶部２ａ２に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部２ａ２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース２ａ３は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１との間で通信してもよい。

【0021】

＜本実施形態に係るプラズマ処理装置＞
本実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。本実施形態に係るプラズマ処理装置は、基板支持部と、基板支持部に対向して設けられる上部電極部と、制御部と、を備える。本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部は、基板支持部の側から順に、電極プレートと、内部に伝熱流体が流れる冷却プレートと、ヒータと、を備える。本実施形態に係るプラズマ処理装置における制御部は、プラズマから電極プレートに入熱する熱量に応じて、ヒータの出力を制御する。

【0022】

本実施形態に係るプラズマ処理装置について図面を用いて説明する。図２は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部の一例であるシャワーヘッド１３について説明する図である。

【0023】

シャワーヘッド１３は、電極プレート１３Ａと、冷却プレート１３Ｂと、ヒータ１３Ｃと、を備える。また、プラズマ処理装置１は、伝熱流体供給部５０と、ヒータ電源部６０と、伝熱流体供給部５０及びヒータ電源部６０を制御する制御部７０と、を備える。なお、制御部７０は、プラズマ処理装置１が備えていてもよいし、制御部２が制御部７０の処理を実施してもよい。

【0024】

（電極プレート１３Ａ）
電極プレート１３Ａは、上部電極として機能する。電極プレート１３Ａは、シャワーヘッド１３におけるプラズマ処理空間１０ｓ側に設けられる。電極プレート１３Ａは、例えば、半導体、例えば、シリコン、炭化シリコンにより形成される。電極プレート１３Ａは、例えば、外側をホルダーにより保持して、冷却プレート１３Ｂに固定される。冷却プレート１３Ｂにより電極プレート１３Ａを効率的に冷却するために、電極プレート１３Ａは冷却プレート１３Ｂに密着するように固定される。

【0025】

（冷却プレート１３Ｂ）
冷却プレート１３Ｂは、シャワーヘッド１３、特に電極プレート１３Ａを冷却する。冷却プレート１３Ｂは、伝熱流体供給部５０から供給される伝熱流体ＲＦが流れる流路１３ｒを有する。

【0026】

冷却プレート１３Ｂは、金属、例えば、アルミニウム合金、により形成される。

【0027】

伝熱流体供給部５０から供給される伝熱流体ＲＦは、流路１３ｒを通過する間に加熱される。そして、流路１３ｒを通過して加熱された伝熱流体ＲＦは、伝熱流体供給部５０に回収される。伝熱流体供給部５０に回収された伝熱流体ＲＦは設定した温度に調整されて、再度、冷却プレート１３Ｂに供給される。

【0028】

伝熱流体供給部５０は、制御部７０により制御される。制御部７０は、例えば、伝熱流体供給部５０からシャワーヘッド１３に供給される伝熱流体ＲＦの温度と流量を制御する。

【0029】

伝熱流体ＲＦは、液体、例えば、ブライン、水、塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、アルコール、シリコーンオイル等である。伝熱流体ＲＦは、気体、例えば、空気、ヘリウムガス、窒素ガス等でもよい。

【0030】

なお、シャワーヘッド１３は、電極プレート１３Ａと冷却プレート１３Ｂとの間に、熱の伝達を促進する伝熱部材を備えていてもよい。

【0031】

（ヒータ１３Ｃ）
ヒータ１３Ｃは、シャワーヘッド１３を加熱する。ヒータ１３Ｃは、例えば、電熱ヒータである。ヒータ１３Ｃは、冷却プレート１３Ｂにおけるプラズマ処理空間１０ｓに対して遠い側に設けられる。

【0032】

ヒータ１３Ｃは、ヒータ電源部６０から電力を供給される。ヒータ１３Ｃは、ヒータ電源部６０から供給される電力により発熱して、冷却プレート１３Ｂを加熱する。

【0033】

ヒータ電源部６０は、制御部７０により制御される。制御部７０は、例えば、ヒータ電源部６０からヒータ１３Ｃに供給される電力ＨＰを制御する。

【0034】

［上部電極部における熱による変形］
次に、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部における熱による変形について説明する。図３及び図４のそれぞれは、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部の一例であるシャワーヘッド１３について熱による変形状態を説明する図である。図３は、ヒータ１３Ｃからの熱による影響を示す図である。図４は、プラズマからの熱による影響を示す図である。

【0035】

最初に、ヒータ１３Ｃからの熱による影響について説明する。図３に示すように、ヒータ１３Ｃから熱Ｑｈが冷却プレート１３Ｂに入ると、ヒータ１３Ｃからの熱Ｑｈにより、矢印Ｄｕ１に示すように、シャワーヘッド１３の上側が熱により膨張する。一方、シャワーヘッド１３の下側は、矢印Ｄｄ１に示すように膨張の度合いは上側と比較して小さい。この上下の膨張量の差によって、冷却プレート１３Ｂにおける電極プレート１３Ａと接触する面は、線ＬＤ１に示すように上側に凸となるように変形する。

【0036】

例えば、ヒータ１３Ｃからの熱により、冷却プレート１３Ｂは、中心部が外側より数１００マイクロメートル程度上にたわむ。

【0037】

次に、プラズマからの熱による影響について説明する。図４に示すように、プラズマから電極プレート１３Ａを介して冷却プレート１３Ｂに熱が入ると、プラズマからの熱Ｑｐにより、矢印Ｄｄ２に示すように、シャワーヘッド１３の下側が熱により膨張する。一方、シャワーヘッド１３の上側は、矢印Ｄｕ２に示すように膨張の度合いは下側と比較して小さい。この上下の膨張量の差によって、冷却プレート１３Ｂにおける電極プレート１３Ａと接触する面は、線ＬＤ２に示すように下側に凸となるように変形する。

【0038】

例えば、プラズマからの熱により、冷却プレート１３Ｂは、中心部が外側より数１００マイクロメートル程度下にたわむ。

【0039】

冷却プレート１３Ｂが熱により変形すると、冷却プレート１３Ｂと、電極プレート１３Ａとの接触が弱くなる場合がある。冷却プレート１３Ｂと、電極プレート１３Ａとの接触が弱くなると、電極プレート１３Ａを冷却プレート１３Ｂで冷却する効率が低下する。電極プレート１３Ａを冷却プレート１３Ｂで冷却する効率が低下すると、冷却プレート１３Ｂにより電極プレート１３Ａを十分冷却できず、電極プレート１３Ａの温度が上昇する場合がある。

【0040】

上述のように、プラズマからの熱による冷却プレート１３Ｂの変形は、ヒータ１３Ｃからの熱による冷却プレート１３Ｂの変形と傾向が反対になる。そこで、発明者らは、プラズマからの熱による冷却プレート１３Ｂの変形を、ヒータ１３Ｃによりプラズマからの冷却プレート１３Ｂを加熱することで抑制することを見いだした。

【0041】

本実施形態に係るプラズマ処理装置において、プラズマから上部電極部に入熱する熱量に応じて、ヒータの出力を制御する。プラズマから上部電極部に入熱する熱量に応じて、ヒータの出力を制御することにより、冷却プレートのプラズマからの熱による変形をヒータからの熱による変形で相殺して、冷却プレートの変形を抑制できる。

【0042】

なお、本実施形態に係るプラズマ処理装置において、プラズマ処理空間は真空環境であって、プラズマ処理空間の外側は大気圧環境であることから、上部電極部は、下に凸となるように変形する場合がある。本実施形態に係るプラズマ処理装置において、ヒータを備えることにより、大気圧による上部電極部の変形についても影響を抑制できる。

【0043】

［冷却プレートにおける流路の位置］
本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について、冷却プレートにおける流路の位置について説明する。図５から図７のそれぞれは、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部について流路の位置について説明する図である。図５から図７のそれぞれについて、上部電極部を想定したモデルを用いて説明する。

【0044】

（１）流路がヒータ側にある場合
図５における上部電極部ＭＤ１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部の例を示すモデルであって、電極プレートＣＥＬと、冷却プレートＣＰ１と、ヒータＨＴＲと、を備える。

【0045】

上部電極部ＭＤ１は、冷却プレートＣＰ１における流路ＦＰ１をヒータＨＴＲ側に設ける。ヒータＨＴＲから冷却プレートＣＰ１における流路ＦＰ１までの距離を距離Ｌ１１とする。電極プレートＣＥＬから冷却プレートＣＰ１における流路ＦＰ１までの距離を距離Ｌ１２とする。上部電極部ＭＤ１において、式１に示すように、距離Ｌ１２は、距離Ｌ１１の３倍であるとする。

【0046】

Ｌ１２ ＝ ３×Ｌ１１ ・・・式１

【0047】

電極プレートＣＥＬ側からプラズマによる熱量Ｐｗ１の熱が上部電極部ＭＤ１に入熱する。ヒータＨＴＲは、熱量Ｈｗ１の熱が冷却プレートＣＰ１に入熱する。式２に示すように、熱量Ｐｗ１は、熱量Ｈｗ１の３倍であるとする。

【0048】

Ｐｗ１ ＝ ３×Ｈｗ１ ・・・式２

【0049】

プラズマを発生させると、冷却プレートＣＰ１における電極プレートＣＥＬ側の温度Ｔ１２は、冷却プレートＣＰ１におけるヒータＨＴＲ側の温度Ｔ１１と比較して非常に高くなる（式３）。

【0050】

Ｔ１２ ＞＞＞ Ｔ１１ ・・・式３

【0051】

冷却プレートＣＰ１の幅をＬとし、冷却プレートＣＰ１における熱膨張率をαとすると、冷却プレートＣＰ１における下側の幅はＬ＋α×Ｔ１２×Ｌ、上側の幅はＬ＋α×Ｔ１１×Ｌとなる。式３より式４が成り立つことから冷却プレートＣＰ１は強く下反りになる。

【0052】

Ｌ＋α×Ｔ１２×Ｌ ＞＞＞ Ｌ＋α×Ｔ１１×Ｌ ・・・式４

【0053】

（２）流路がヒータと電極プレートとの中間にある場合
図６における上部電極部ＭＤ２は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部の例を示すモデルであって、電極プレートＣＥＬと、冷却プレートＣＰ２と、ヒータＨＴＲと、を備える。

【0054】

上部電極部ＭＤ２は、冷却プレートＣＰ２における流路ＦＰ２をヒータＨＴＲと電極プレートＣＥＬとの中間に設ける。ヒータＨＴＲから冷却プレートＣＰ２における流路ＦＰ２までの距離を距離Ｌ２１とする。電極プレートＣＥＬから冷却プレートＣＰ２における流路ＦＰ２までの距離を距離Ｌ２２とする。上部電極部ＭＤ２において、式５に示すように、距離Ｌ２２は、距離Ｌ２１に等しいとする。

【0055】

Ｌ２２ ＝ Ｌ２１ ・・・式５

【0056】

電極プレートＣＥＬ側からプラズマによる熱量Ｐｗ２の熱が上部電極部ＭＤ２に入熱する。ヒータＨＴＲは、熱量Ｈｗ２の熱が冷却プレートＣＰ２に入熱する。式６に示すように、熱量Ｐｗ２は、熱量Ｈｗ２の３倍であるとする。

【0057】

Ｐｗ２ ＝ ３×Ｈｗ２ ・・・式６

【0058】

プラズマを発生させると、冷却プレートＣＰ２における電極プレートＣＥＬ側の温度Ｔ２２は、冷却プレートＣＰ２におけるヒータＨＴＲ側の温度Ｔ２１と比較して高くなる（式７）。

【0059】

Ｔ２２ ＞＞ Ｔ２１ ・・・式７

【0060】

冷却プレートＣＰ２の幅をＬとし、冷却プレートＣＰ２における熱膨張率をαとすると、冷却プレートＣＰ２における下側の幅はＬ＋α×Ｔ２２×Ｌ、上側の幅はＬ＋α×Ｔ２１×Ｌとなる。式７より式８が成り立つことから冷却プレートＣＰ２は下反りになる。一方、冷却プレートＣＰ１よりは下反りの度合いは小さくなる。

【0061】

Ｌ＋α×Ｔ２２×Ｌ ＞＞ Ｌ＋α×Ｔ２１×Ｌ ・・・式８

【0062】

（３）流路が電極プレート側にある場合
図７における上部電極部ＭＤ３は、本実施形態に係るプラズマ処理装置における上部電極部の例を示すモデルであって、電極プレートＣＥＬと、冷却プレートＣＰ３と、ヒータＨＴＲと、を備える。

【0063】

上部電極部ＭＤ３は、冷却プレートＣＰ３における流路ＦＰ３を電極プレートＣＥＬ側に設ける。ヒータＨＴＲから冷却プレートＣＰ３における流路ＦＰ３までの距離を距離Ｌ３１とする。電極プレートＣＥＬから冷却プレートＣＰ３における流路ＦＰ３までの距離を距離Ｌ３２とする。上部電極部ＭＤ３において、式９に示すように、距離Ｌ３１は、距離Ｌ３２の３倍であるとする。

【0064】

Ｌ３１ ＝ ３×Ｌ３２ ・・・式９

【0065】

電極プレートＣＥＬ側からプラズマによる熱量Ｐｗ３の熱が上部電極部ＭＤ３に入熱する。ヒータＨＴＲは、熱量Ｈｗ３の熱が冷却プレートＣＰ３に入熱する。式１０に示すように、熱量Ｐｗ３は、熱量Ｈｗ３の３倍であるとする。

【0066】

Ｐｗ３ ＝ ３×Ｈｗ３ ・・・式１０

【0067】

プラズマを発生させると、冷却プレートＣＰ３における電極プレートＣＥＬ側の温度Ｔ３２は、冷却プレートＣＰ３におけるヒータＨＴＲ側の温度Ｔ３１と比較して少し大きくなる（式１１）。

【0068】

Ｔ３２ ＞ Ｔ３１ ・・・式１１

【0069】

冷却プレートＣＰ３の幅をＬとし、冷却プレートＣＰ３における熱膨張率をαとすると、冷却プレートＣＰ３における下側の幅はＬ＋α×Ｔ３２×Ｌ、上側の幅はＬ＋α×Ｔ３１×Ｌとなる。式１１より式１２が成り立つことから冷却プレートＣＰ３は下反りになる。一方、冷却プレートＣＰ２よりは下反りの度合いは更に小さくなる。

【0070】

Ｌ＋α×Ｔ３２×Ｌ ＞ Ｌ＋α×Ｔ３１×Ｌ ・・・式１２

【0071】

したがって、上述の例において、プラズマによる熱量は、ヒータによる熱量の３倍であることから、ヒータから冷却プレートにおける流路までの距離は、電極プレートから冷却プレートにおける流路までの距離の３倍以上であることが望ましい。

【0072】

また、上記より、冷却プレートにおける流路は、冷却プレートにおけるヒータより電極プレートの近くに設けられることが望ましい。

【0073】

上記の例では、プラズマによる熱量がヒータによる熱量の３倍である例について説明したが、プラズマによる熱量はヒータによる熱量の３倍に限らない。プラズマによる熱量はヒータによる熱量の所定の定数倍である場合、ヒータから冷却プレートにおける流路までの距離は、電極プレートから冷却プレートにおける流路までの距離の当該定数倍以上であればよい。例えば、プラズマによる熱量はヒータによる熱量のα倍（αは１より大きい実数）である場合、ヒータから冷却プレートにおける流路までの距離は、電極プレートから冷却プレートにおける流路までの距離のα倍以上であればよい。言い換えると、ヒータから冷却プレートにおける流路までの距離は、電極プレートから冷却プレートにおける流路までの距離にヒータからの熱量に対するプラズマからの熱量の比を乗じた距離より長くするとよい。

【0074】

［本実施形態に係るプラズマ処理装置の動作］
次に、本実施形態に係るプラズマ処理装置の動作について説明する。本実施形態に係るプラズマ処理装置の動作を説明することにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置の制御方法について説明する。図８は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の一例であるプラズマ処理装置１の動作について説明する図である。また、比較のために、図９に、参考例のプラズマ処理装置の動作について説明する図を示す。

【0075】

図８及び図９のそれぞれにおける横軸は時間、縦軸は測定値等、を概念的に示す。図８及び図９のそれぞれにおける横軸におけるｔｐは、プラズマの生成を開始した時刻を示す。図８及び図９のそれぞれにおける縦軸の符号について説明する。Ｔｃｐは、冷却プレート１３Ｂの温度を示す。Ｑｈは、ヒータ電源部６０からヒータ１３Ｃに供給される電力を示す。Ｔｃｅは、電極プレート１３Ａの温度を示す。Ｑｐは、プラズマからの入熱を示す。Ｖｒｆは、伝熱流体ＲＦの流量を示す。

【0076】

図８に示す本実施形態に係るプラズマ処理装置において、制御部７０は、プラズマからの入熱があると、冷却プレート１３Ｂの反りを低減するために、ヒータ１３Ｃにより冷却プレート１３Ｂを加熱するようにヒータ電源部６０を制御する。制御部７０は、ヒータ１３Ｃにより冷却プレート１３Ｂを加熱するようにヒータ電源部６０を制御すると、冷却プレート１３Ｂの反りが低減して、電極プレート１３Ａを効率よく冷却することにより、電極プレート１３Ａの温度又は面内温度の差を低減できる。

【0077】

制御部７０は、冷却プレート１３Ｂの変形を小さくするように、ヒータ電源部６０からヒータ１３Ｃに供給する電力を調整するようにヒータ電源部６０を制御する。図８において、矢印Ｂによって指し示すように、プラズマの入熱に基づいて、ヒータ電源部６０からヒータ１３Ｃに供給する電力を調整する。制御部７０は、プラズマ生成後に、ヒータ１３Ｃの出力を増加させるように制御する。より具体的には、制御部７０は、シャワーヘッド１３に入熱する熱量が多くなると、ヒータ１３Ｃの出力を増加させるように、ヒータ電源部６０を制御する。すると、冷却プレート１３Ｂの温度であるＴｃｐにおいて矢印Ａによって指し示すように、冷却プレート１３Ｂは高くなる。

【0078】

一方、ヒータ１３Ｃから入熱することにより、冷却プレート１３Ｂの変形は小さくなる。冷却プレート１３Ｂの変形が小さいことにより、電極プレート１３Ａと冷却プレート１３Ｂと十分接触した状態で電極プレート１３Ａを冷却できる。したがって、電極プレート１３Ａの温度を示すＴｃｅが矢印Ｃで示すように低くできる。

【0079】

ここで、参考例のプラズマ処理装置について説明する。図９に示す参考例のプラズマ処理装置において、冷却プレート１３Ｂの温度であるＴｃｐにおいて矢印Ｘによって指し示すように、冷却プレート１３Ｂの温度を一定にするように制御する。したがって、参考例のプラズマ処理装置において、プラズマが生成すると、プラズマの入熱分を相殺する形で、ヒータ電源部６０からヒータ１３Ｃに供給される電力であるＱｈを矢印Ｙとして指し示すように減らす。上述のように、ヒータ１３Ｃからの入熱がないと、冷却プレート１３Ｂは上側に凸に変形することから、電極プレート１３Ａと冷却プレート１３Ｂとの接触が弱くなる。したがって、電極プレート１３Ａの温度を示すＴｃｅが矢印Ｚで示すように、高くなる。

【0080】

図８におけるＴｃｅと、図９におけるＴｃｅを比較すると、矢印Ｃで指し示す部分が、矢印Ｚで指し示す部分より低くなる。すなわち、本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、冷却プレートの変形を低減できる。そして、本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、冷却プレートの変形を低減することにより、電極プレートをより効率よく冷却できる。

【0081】

本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、上部電極部がプラズマからの入熱により変形することを抑制できる。本実施形態に係るプラズマ処理装置は、上部電極部におけるプラズマからの入熱による変形を抑制することにより、電極プレートを効率よく冷却して、電極プレートの温度を低減できる。

【0082】

本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、冷却プレートにおける流路を電極プレート側に配置することにより、冷却プレートのプラズマからの入熱により変形することをより抑制できる。

【0083】

今回開示された本実施形態に係るプラズマ処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0084】

１ プラズマ処理装置
１１ 基板支持部
１３ シャワーヘッド
１３Ａ 電極プレート
１３Ｂ 冷却プレート
１３Ｃ ヒータ
１３ｒ 流路
５０ 伝熱流体供給部
６０ ヒータ電源部
７０ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】