JP2017005128A - 温度制御方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

温度制御方法及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ処理装置内にて載置台の温度制御性を高めることを目的とする。【解決手段】プラズマ処理装置内にて基板を載置する載置台の温度制御方法であって、前記プラズマ処理装置内には前記載置台を冷却する冷却機構及び該載置台を加熱する第１の加熱機構を含む温度調整機構が設けられ、前記プラズマ処理装置内に印加される高周波電力と前記載置台への入熱量との関係を示す第１の関係情報を測定により求め、予め記録部に記録したデータテーブルに基づき、所定のプロセスにて印加される高周波電力に対する第１の入熱量を算出し、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分の制御許容範囲を入熱量に応じて段階的に設定し、予め前記記録部に記憶したオペレーションマップに基づき、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分が前記第１の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になるように前記第１の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、載置台の温度制御方法が提供される。【選択図】図５

Description

本発明は、温度制御方法及びプラズマ処理装置に関する。
エッチング装置等のプラズマ処理装置において、エッチングレート等、良好なプラズマ特性を得るために基板の温度制御は重要である。そこで、基板を載置する載置台の面内の温度分布を載置台内のヒータ等により制御することで、基板の温度を制御することが行われている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００８−１７７２８５号公報
しかしながら、高周波電力を印加したとき、プラズマ処理装置内で生成されるプラズマからの入熱が不定であるためにヒータの出力が低下し、ヒータの出力値が「０」になることがある。ヒータの出力値が「０」になるとヒータの制御が不能になる。これにより、載置台の温度は、例えば高周波電力の上昇とともに上昇し、基板の温度を制御することが困難になる。
上記課題に対して、一側面では、本発明は、プラズマ処理装置内にて載置台の温度制御性を高めることを目的とする。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、プラズマ処理装置内にて基板を載置する載置台の温度制御方法であって、前記プラズマ処理装置内には前記載置台を冷却する冷却機構及び該載置台を加熱する第１の加熱機構を含む温度調整機構が設けられ、前記プラズマ処理装置内に印加される高周波電力と前記載置台への入熱量との関係を示す第１の関係情報を測定により求め、予め記録部に記録したデータテーブルに基づき、所定のプロセスにて印加される高周波電力に対する第１の入熱量を算出し、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分の制御許容範囲を入熱量に応じて段階的に設定し、予め前記記録部に記憶したオペレーションマップに基づき、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分が前記第１の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になるように前記第１の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、載置台の温度制御方法が提供される。
一の側面によれば、プラズマ処理装置内にて載置台の温度制御性を高めることができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。 一実施形態に係る高周波電力と入熱量との関係を示すグラフの一例を示す図。 一実施形態に係る温度制御処理の一例を示すフローチャート。 一実施形態に係る入熱量に応じた温度制御を説明するための図。 一実施形態に係る入熱量に応じた温度制御を説明するための図。 一実施形態に係る入熱量に応じた温度制御を説明するための図。 一実施形態に係る入熱量に応じた温度制御を説明するための図。 一実施形態に係る入熱量に応じた温度制御を説明するための図。 一実施形態に係る高周波電力と入熱量との関係を示すグラフの他の例を示す図。
以下、本発明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。
［プラズマ処理装置の構成例］
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１の構成の一例について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態では、プラズマ処理装置１の一例として容量結合型プラズマエッチング装置を挙げて説明する。
プラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形のチャンバ１０を有している。チャンバ１０は、接地されている。
チャンバ１０の内部には載置台１２が設けられている。載置台１２は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材質からなり、絶縁性の保持部１４を介して支持部１６に支持されている。これにより、載置台１２は、チャンバ１０の底部に設置される。
チャンバ１０の底部には、排気管２６が設けられ、排気管２６は排気装置２８に接続されている。排気装置２８は、ターボ分子ポンプやドライポンプ等の真空ポンプから構成され、チャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧するとともに、チャンバ１０内のガスを排気路２０及び排気口２４に導き、排気する。排気路２０にはガスの流れを制御するためのバッフル板２２が取り付けられている。
載置台１２には、プラズマを励起するための第１高周波電源３１が整合器３３を介して接続され、ウェハＷにプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波電源３２が整合器３４を介して接続されている。例えば、第１高周波電源３１は、チャンバ１０内にてプラズマを生成するために適した周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力ＨＦ（プラズマ励起用の高周波電力）を載置台１２に印加する。第２高周波電源３２は、載置台１２上のウェハＷにプラズマ中のイオンを引き込むのに適した低めの周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力ＬＦ（イオン引き込み用の高周波電力）を載置台１２に印加する。このようにして載置台１２は、ウェハＷを載置するとともに、下部電極としての機能を有する。
載置台１２の上面にはウェハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁層４０ｂ（又は絶縁シート）の間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電圧源４２がスイッチ４３を介して接続されている。静電チャック４０は、直流電圧源４２からの電圧により、クーロン力によってウェハＷを静電チャック上に吸着して保持する。静電チャック４０には温度センサ７７が設けられ、静電チャック４０の温度を測定するようになっている。これにより、静電チャック４０上のウェハＷの温度が測定される。
静電チャック４０の周縁部には、載置台１２の周囲を囲むようにフォーカスリング１８が配置されている。フォーカスリング１８は、例えばシリコンや石英から形成されている。フォーカスリング１８は、エッチングの面内均一性を高めるように機能する。
チャンバ１０の天井部には、ガスシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。これにより、第１高周波電源３１から出力される高周波電力が載置台１２とガスシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。
ガスシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する電極板５６と、電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。ガス供給源６２は、ガス供給配管６４を介してガス導入口６０ａからガスシャワーヘッド３８内にガスを供給する。ガスは、ガス拡散室５７にて拡散され、多数のガス通気孔５６ａからチャンバ１０内に導入される。チャンバ１０の周囲には、環状または同心円状に延在する磁石６６が配置され、磁力により上部電極及び下部電極間のプラズマ生成空間に生成されるプラズマを制御する。
静電チャック４０には、ヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅ（以下、総称して「ヒータ７５」ともいう。）が埋め込まれている。ヒータ７５は、静電チャック４０内に埋め込む替わりに静電チャック４０の裏面に貼り付けるようにしてもよい。ヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅには、給電線４７を介して交流電源４４から出力された電流が供給される。
これにより、ヒータ７５ａは、載置台１２のセンター部を加熱する。ヒータ７５ｂは、載置台１２のミドル部を加熱する。ヒータ７５ｃは、載置台１２のエッジ部を加熱する。ヒータ７５ｄは、載置台１２のベリーエッジ部を加熱する。ヒータ７５ｅは、フォーカスリング１８を加熱する。ヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄは、載置台１２の面内を中央から順に外周側に向けて円状のゾーン（センター部（Ｃ））及び三つの環状のゾーン（ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ））に分割したときのゾーン毎の加熱を可能にする。なお、ヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄは、載置台１２の面内を複数のゾーンに分けてゾーン毎に加熱する第１の加熱機構の一例である。また、ヒータ７５ｅは、フォーカスリングを加熱する第２の加熱機構の一例である。本実施形態では、載置台１２の面内を４つのゾーンに分けて温度制御するが、ゾーン数は４つに限らず、１つでもよいし、２つ以上でもよい。ヒータ７５の分割数は、ゾーン数及びフォーカスリング１８の有無に対応させて決定することができる。また、各ゾーンの形状は、円状や環状以外であってもよい。
載置台１２の内部には冷媒管７０が形成されている。チラーユニット７１から供給された冷媒（以下、「ブライン（Ｂｒｉｎｅ）」ともいう。）は冷媒管７０及び冷媒循環管７３を循環し、載置台１２を冷却する。ブラインを冷媒管７０に供給する機構は、載置台１２を冷却する冷却機構の一例である。
かかる構成により、載置台１２は、ヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ、７５ｅがそれぞれ埋め込まれたゾーン毎に独立して加熱されるとともに、所定温度のブラインが載置台１２内の冷媒管７０を流れることにより冷却される。これにより、ウェハＷが所望の温度に調整される。また、静電チャック４０の上面とウェハＷの裏面との間には、伝熱ガス供給ライン７２を介してヘリウム（Ｈｅ）ガス等の伝熱ガスが供給される。
制御部５０は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５３及びＨＤＤ（Hard Disk Drive）５４を有する。ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３又はＨＤＤ５４の記録部に記録されたレシピに設定された手順に従い、エッチング等のプラズマ処理を行う。また、記録部には、後述されるデータテーブル等の各種データが記録される。制御部５０は、ヒータ７５による加熱機構やブラインによる冷却機構の温度を制御する。
かかる構成のプラズマ処理装置１においてエッチング等のプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、ゲートバルブ３０からチャンバ１０内に搬入される。ウェハＷは、静電チャック４０上に載置される。ゲートバルブ３０は、ウェハＷを搬入後に閉じられる。チャンバ１０内の圧力は、排気装置２８により設定値に減圧される。静電チャック４０の電極４０ａに直流電圧源４２からの電圧を印加することで、ウェハＷは、静電チャック４０上に静電吸着される。
所定のガスがガスシャワーヘッド３８からシャワー状にチャンバ１０内に導入され、所定パワーのプラズマ励起用の高周波電力ＨＦが載置台１２に印加される。導入されたガスが高周波電力ＨＦにより電離及び解離することによりプラズマが生成され、プラズマの作用によりウェハＷにエッチング等のプラズマ処理が施される。載置台１２には、イオン引き込み用の高周波電力ＬＦが印加されてもよい。プラズマエッチング終了後、ウェハＷはチャンバ１０外に搬出される。
［高周波電力と入熱量との関係を示すグラフの作成例］
次に、本実施形態に係る温度制御を行うための高周波電力と入熱量との関係を示す関係式について、図２のグラフを参照しながら説明する。図２は、高周波電力と入熱量との関係を示す関係式を図示したグラフの一例を示す。高周波電力と入熱量との関係を示す関係式を図示したグラフの作成は以下の手順で行われる。
まず、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦ及びイオン引き込み用の高周波電力ＬＦが載置台１２に印加されたときの静電チャック４０の温度が温度センサ７７により測定される。測定された温度は、制御部５０に送信される。プラズマ励起用の高周波電力ＨＦ及びイオン引き込み用の高周波電力ＬＦの上昇に対応して、測定された温度に応じたプラズマからの入熱量をプロットすることで、高周波電力と入熱量との関係を示すグラフが作成される。
図２の例では、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦ及びイオン引き込み用の高周波電力ＬＦの合計電力値ｘを横軸に示し、測定された温度に応じた入熱量ｙを縦軸に示す。これにより、高周波電力に対する入熱量が定量化できる。図２の関係式ｙ２＝０．００９７ｘ２は、載置台１２のセンター部（Ｃ），ミドル部（Ｍ），エッジ部（Ｅ），ベリーエッジ部（ＶＥ）における高周波電力ｘ２に対する入熱量ｙ２を示す。関係式ｙ１＝０．０１１２ｘ１は、フォーカスリング１８における高周波電力ｘ１に対する入熱量ｙ１を示す。
図２のＲ２は、関係式ｙ１＝０．０１１２ｘ１、関係式ｙ２＝０．０１１２ｘ２の信頼性を示す値であり、各プロットに基づき最小二乗法を用いて導いた直線ｙ１、ｙ２の信頼性を算出した結果を表す。Ｒ２が１に近づく程関係式ｙ１、ｙ２の信頼性が高いことを示す。これによれば、関係式ｙ１、ｙ２の信頼性が高いことがわかる。
なお、図２に示す高周波電力と入熱量との関係を示す関係式ｙ１、ｙ２は、所定のプロセスにおけるエッチングにおいて得られた結果の一例である。そのエッチングでは、プラズマ処理装置１内の圧力が４０ｍＴ（５．３３Ｐａ）に制御され、プラズマ処理装置１内に四フッ化炭素（ＣＦ４）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスが供給され、高周波電力ＨＦ，ＬＦが印加される。このようなプロセス条件において生成されるプラズマによってエッチングが実行されたときの温度センサ７７の測定値に基づき関係式ｙ１、ｙ２が導かれる。このように、図２の高周波電力と入熱量との関係を示す関係式は一のプロセス条件に基づき作成された高周波電力と入熱量との関係を示すにすぎない。
したがって、他のプロセス条件において、プラズマ処理装置１にてエッチングが実行されたときの温度センサ７７の測定値を使用して高周波電力と入熱量との関係を示す他の関係式を導くことができる。
また、高周波電力と入熱量との関係を示す関係式は、ガス種、圧力、ガス流量等のプロセス条件が異なると異なってくる。例えば、プラズマからの入熱量は、プラズマの電子密度、プラズマのイオン密度、イオンを引き込む高周波電力ＬＦ及びプラズマを生成する高周波電力ＨＦ等の値によって決まる。例えばガス種が異なると生成されるイオンの大きさが異なるため、プラズマからの入熱量が変化する。つまり、ガス種はプラズマからの入熱量を変化させる要因となる。同様に圧力もプラズマからの入熱量を変化させる要因となる。さらに、ガスシャワーヘッド３８から供給するガスがホットガスである場合、ホットガスがプラズマ以外からの入熱量となる。
このため、高周波電力ＨＦ，ＬＦと入熱量との関係を示す関係式を測定によりプロセス毎に求め、生成したデータテーブルを予め記録部に記録する。また、ホットガスの流量と入熱量との関係を示す関係式を測定により求め、生成したデータテーブルを予め記録部に記録してもよい。
図２の高周波電力と入熱量との関係式ｙ１、ｙ２は、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦ及びイオン引き込み用の高周波電力ＬＦの合計電力値と入熱量との関係を示す。しかしながら、これに限らず、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦと入熱量との関係を示す関係式を導出してもよい。また、イオン引き込み用の高周波電力ＬＦと入熱量との関係を示す関係式を導出してもよい。なお、本実施形態では、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦは載置台１２に印加されるが、これに限らず、プラズマ励起用の高周波電力ＨＦは、ガスシャワーヘッド３８に印加されてもよい。
このようにして作成された高周波電力と入熱量との関係を示す関係式のデータテーブルは、本実施形態に係る温度制御方法が実行される前に収集され、記録部がＲＡＭ５３又はＨＤＤ５４等に保存し、管理する。データテーブルに記録される関係式ｙ２は、プラズマ処理装置１に印加される高周波電力と載置台１２への入熱量との関係を示す第１の関係情報の一例である。記録部に記録される関係式ｙ１は、プラズマ処理装置１に印加される高周波電力とフォーカスリングへの入熱量との関係を示す第２の関係情報の一例である。
制御部５０は、記録部に記録されている多数の関係式から、次に実行するプラズマ処理のプロセス条件に合致した関係式を選択し、載置台１２の温度制御に使用する。
実際のエッチング等のプラズマ処理において、高周波電力ＨＦ，ＬＦがオンされた場合、関係式ｙ１、ｙ２にて算出される入熱量分だけヒータ７５とブラインとの温度差が少なくなる。ヒータ７５の出力値はブラインとヒータ７５との温度差に応じて決定される。つまり、ヒータ７５とブラインとの温度差が少なくなるとヒータ７５の出力が低下する。ヒータ７５の出力値が「０」になるとヒータ７５の制御が不能になり、ウェハＷの温度制御が困難になる。よって、ウェハＷの温度制御が困難になることを回避するために、ヒータ７５の出力値を「０」よりも大きくする必要がある。よって、本実施形態にかかる温度制御方法では、高周波電力ＨＦ，ＬＦが印加されてヒータ７５とブラインとの温度差が減少した分、ヒータ７５の出力値を変更させてブラインとヒータ７５との温度差を確保する。これにより、ヒータ７５の出力値が「０」になることによるヒータ７５の制御不能を回避できる。以下の温度制御では、前提としてブラインの温度はヒータ７５の温度よりも低く制御するようになっている。
［載置台の温度制御処理例］
本実施形態にかかる温度制御方法では、ブラインとヒータ７５との温度差を確保するために、ヒータ７５の出力値を変更させる。本実施形態にかかる温度制御処理の一例について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
図３の処理が開始されると、制御部５０は、高周波電力と入熱量との関係式（関係情報）を記録したデータテーブルを取得する（ステップＳ１０）。記録部に複数のデータテーブルが記録されている場合、制御部５０は、次に実行するプラズマ処理のプロセス条件に合致したデータテーブルを選択する。これにより、例えば図２に示すデータテーブルが選択されたとする。
次に、制御部５０は、図２に示す関係式ｙ２＝０．０１１２ｘ２に基づきプロセスレシピに設定されている高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値に対する第１の入熱量を算出する（ステップＳ１２）。例えば、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が２０００Ｗの場合、第１の入熱量は２０℃と算出される。
図３に戻り、次に、制御部５０は、ブラインとセンター部、ミドル部、エッジ部、ベリーエッジ部のヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄとの設定温度の差分が第１の入熱量に応じた温度差になるように各部のヒータ７５の温度を制御する（ステップＳ１４）。
例えば、図４（ａ）及び（ｂ）は、高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフの場合のブライン（Ｂｒｉｎｅ）に対するセンター部（Ｃ）、ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）及びフォーカスリングの温度制御用のオペレーションマップの一例を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したブラインとヒータ７５との温度差に応じたセンター部（Ｃ）、ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）のそれぞれに取り付けられたヒータ７５の温度制御範囲を示すオペレーションマップの一例である。
高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合、プラズマからの入熱量は「０」である。この場合、図４（ａ）に一例を示すように、制御部５０が設定する載置台１２の面内のミドル部、エッジ部、ベリーエッジ部の温度は、温度センサ７７により測定したセンター部とブラインとの温度差に基づき以下のように制御される。
・ミドル部の温度制御
（１）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも２０℃〜３０℃高い場合
ミドル部の温度（Ｍ：Middle Temp.）は、センター部の温度（Ｃ：Center Temp.）よりも０℃〜２０℃高い温度に制御
（２）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも３０℃〜４０℃高い場合
ミドル部の温度（Ｍ）は、センター部の温度（Ｃ）よりも０℃〜２０℃高い温度に制御（３）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも４０℃〜５０℃高い場合
ミドル部の温度（Ｍ）は、センター部の温度（Ｃ）よりも０℃〜２０℃高い温度に制御（４）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも５０℃〜６０℃高い場合
ミドル部の温度（Ｍ）は、センター部の温度（Ｃ）よりも０℃〜２０℃高い温度に制御（６）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも６０℃〜７０℃高い場合
ミドル部の温度（Ｍ）は、センター部の温度（Ｃ）よりも０℃〜１０℃高い温度に制御（７）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも７０℃高い場合
ミドル部の温度（Ｍ）は、センター部の温度（Ｃ）と同じ温度に制御
・エッジ部の温度制御（Edge Temp.）
上記（１）〜（７）のいずれの場合においても、以下の式に基づきエッジ部の温度（Ｅ）が制御される。
（３×ミドル部の温度（Ｍ）＋ベリーエッジ部の温度（ＶＥ））／４
・ベリーエッジ部の温度制御
（１）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも２０℃〜３０℃高い場合
ベリーエッジ部の温度（ＶＥ： Very Edge Temp.）は、ミドル部の温度（Ｍ）と同じ温度に制御
（２）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも３０℃〜４０℃高い場合
ベリーエッジ部の温度（ＶＥ）は、ミドル部の温度（Ｍ）よりも０℃〜１０℃高い温度に制御
（３）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも４０℃〜５０℃高い場合
ベリーエッジ部の温度（ＶＥ）は、ミドル部の温度（Ｍ）よりも０℃〜２０℃高い温度に制御
（４）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも５０℃〜６０℃高い場合
ベリーエッジ部の温度（ＶＥ）は、ミドル部の温度（Ｍ）よりも０℃〜２０℃高い温度に制御
（６）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも６０℃〜７０℃高い場合
ベリーエッジ部の温度（ＶＥ）は、ミドル部の温度（Ｍ）よりも０℃〜１０℃高い温度に制御
（７）センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも７０℃高い場合
ベリーエッジ部の温度（ＶＥ）は、ミドル部の温度（Ｍ）と同じ温度に制御
・フォーカスリングの温度制御（Focus Ring Temp.）
ブラインの温度よりも２０℃以上高い温度であって最大値が１２０℃になるように制御
制御部５０は、センター部〜ベリーエッジ部のヒータ７５ａ〜７５ｄとブラインとの温度差を７０℃以下に制御する。
また、制御部５０は、センター部のヒータ７５ａとベリーエッジ部のヒータ７５ｄとの温度差を３０℃以下に制御する。
以上から、図４（ｂ）のオペレーションマップに示すように、センター部（Ｃ）の基準温度に対して、ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）の温度の下限値は白丸のうちの最小値、上限値は黒丸のうちの最大値に示す範囲で各部の温度制御が行われる。
例えば、センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも２０℃〜３０℃高い場合、センター部（Ｃ）に取り付けられたヒータ７５ａの設定温度は、ブラインの温度よりも２０℃高くなるように制御される。また、ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）のそれぞれに取り付けられたヒータ７５ｂ、７５ｃ、７５ｄの設定温度は、ブラインの温度よりも２０℃〜４０℃高くなるように制御される。
また、センター部の温度（Ｃ）が、ブラインの温度よりも３０℃〜４０℃高い場合、センター部（Ｃ）に取り付けられたヒータ７５ａの設定温度は、ブラインの温度よりも３０℃高くなるように制御される。また、ミドル部（Ｍ）に取り付けられたヒータ７５ｂの設定温度は、ブラインの温度よりも３０℃〜５０℃高くなるように制御される。また、エッジ部（Ｅ）に取り付けられたヒータ７５ｃの設定温度は、ブラインの温度よりも３０℃〜５５℃高くなるように制御される。また、ベリーエッジ部（ＶＥ）に取り付けられたヒータ７５ｄの設定温度は、ブラインの温度よりも３０℃〜６０℃高くなるように制御される。
しかしながら、高周波電力ＨＦ，ＬＦがオン（印加）された場合、プラズマから載置台１２への入熱量が発生するため、ヒータ７５の出力が低下し、ブラインとヒータ７５との温度差が小さくなり、ヒータ７５の温度制御が不安定となることがある。これに対して、本実施形態では、プラズマからの入熱量に基づきヒータ７５の温度を制御することでヒータ７５及びブラインの温度制御の安定性を確保する。
その一例として高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が１０００Ｗの場合のヒータ７５の温度制御方法について、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が１０００Ｗの場合のブラインに対するセンター部（Ｃ）、ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）及びフォーカスリング１８の温度制御用のオペレーションマップの一例を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したブラインとヒータ７５との温度差に応じたセンター部（Ｃ）、ミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）のそれぞれに取り付けられたヒータ７５の温度制御範囲を示すオペレーションマップの一例である。
制御部５０は、図２に示す関係式ｙ２＝０．００９７ｘ２に基づき高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が１０００Ｗの場合、プラズマからの入熱量により載置台１２内のヒータ７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄに入力される温度を１０℃と算出する。
この結果、制御部５０は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、センター部（Ｃ）〜ベリーエッジ部（ＶＥ）の各部のヒータ７５とブラインとの温度差を図４（ａ）及び（ｂ）の高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合の温度差＋１０℃の温度差で制御する。つまり、図４に示すセンター部のヒータ７５ａとブラインとの温度差が１０℃刻みに設定されたオペレーションマップの１０℃刻みの温度制御帯を一つ右側にシフトさせた図５のオペレーションマップを生成する。これにより、制御部５０は、図５のオペレーションマップを用いて、高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合の温度差＋１０℃の温度差で各部のヒータ７５の温度を制御することができる。これにより、プラズマからの入熱量を考慮したヒータ７５とブラインとの温度差が得られるようにヒータ７５の温度が制御され、ヒータ７５及びブラインの温度制御が不安定になることを回避できる。
同様にして、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が２０００Ｗの場合のブラインに対するセンター部（Ｃ）〜ベリーエッジ部（ＶＥ）の温度制御用のオペレーションマップの一例を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。制御部５０は、各部のヒータ７５とブラインとの温度差が図４（ａ）及び（ｂ）に示す高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合の温度差に、図２のグラフに基づき２０℃を加算した値になるように各部のヒータ７５の温度を制御する。その際、制御部５０は、図４のオペレーションマップの１０℃刻みの温度制御帯を二つ右側にシフトさせた図６のオペレーションマップを生成する。そして、制御部５０は、図６のオペレーションマップに基づく設定温度に各部のヒータ７５の温度を制御する。
同様にして、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が３０００Ｗの場合のブラインに対するセンター部（Ｃ）〜ベリーエッジ部（ＶＥ）の温度制御用のオペレーションマップの一例を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。制御部５０は、各部のヒータ７５とブラインとの温度差が図４（ａ）及び（ｂ）に示す高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合の温度差に、図２のグラフに基づき３０℃を加算した値になるように各部のヒータ７５の温度を制御する。その際、制御部５０は、図４のオペレーションマップの１０℃刻みの温度制御帯を三つ右側にシフトさせた図７のオペレーションマップを生成する。そして、制御部５０は、図７のオペレーションマップに基づく設定温度に各部のヒータ７５の温度を制御する。
同様にして、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が４０００Ｗの場合のブラインに対するセンター部（Ｃ）〜ベリーエッジ部（ＶＥ）の温度制御用のオペレーションマップの一例を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。制御部５０は、各部のヒータ７５とブラインとの温度差が図４（ａ）及び（ｂ）に示す高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合の温度差に、図２のグラフに基づき４０℃を加算した値になるように各部のヒータ７５の温度を制御する。その際、制御部５０は、図４のオペレーションマップの１０℃刻みの温度制御帯を四つ右側にシフトさせた図８のオペレーションマップを生成する。そして、制御部５０は、図８のオペレーションマップに基づく設定温度に各部のヒータ７５の温度を制御する。
これにより、ブラインとヒータ７５との温度差が、高周波電力ＨＦ，ＬＦがオフされている場合のブラインとヒータ７５との温度差にプラズマからの入熱量に対応する温度を加算した値になるように各部のヒータ７５の温度を制御することができる。この結果、ヒータ７５とブラインとの温度差が小さくなることにより生じる制御の不安定を回避できる。
なお、図５〜図８に示すオペレーションマップによる温度制御の場合、図４に示す温度制御と同様に、制御部５０は、センター部〜ベリーエッジ部のヒータ７５ａ〜７５ｄとブラインとの温度差を７０℃以下に制御する。また、制御部５０は、センター部のヒータ７５ａとベリーエッジ部のヒータ７５ｄとの温度差を３０℃以下に制御する。
さらに、本実施形態では、制御部５０は、図２のグラフの関係式ｙ１＝０．０１１２ｘ１に基づき、高周波電力ＨＦ、ＬＦの合計電力値に対するフォーカスリング１８への入熱量を算出する。制御部５０は、ブラインの温度に、算出結果に基づく温度を加算した値以上であって最大値が１２０℃を超えないようにフォーカスリング１８の温度を制御してもよい。
図３では、ステップＳ１６において、制御部５０は、図２のグラフの関係式ｙ１＝０．０１１２ｘ１に基づき、高周波電力ＨＦ、ＬＦの合計電力値に対するフォーカスリング１８への第２の入熱量を算出する。
なお、図５〜図８に示すオペレーションマップによれば、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が１０００Ｗの場合、制御部５０は、フォーカスリング１８の温度を、ブラインの温度よりも３５℃以上高い温度であって最大値が１２０℃になるように制御する（図５）。高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が２０００Ｗの場合、制御部５０は、フォーカスリング１８の温度を、ブラインの温度よりも４５℃以上高い温度であって最大値が１２０℃になるように制御する（図６）。高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が３０００Ｗの場合、制御部５０は、フォーカスリング１８の温度を、ブラインの温度よりも５５℃以上高い温度であって最大値が１２０℃になるように制御する（図７）。高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値が４０００Ｗの場合、制御部５０は、フォーカスリング１８の温度を、ブラインの温度よりも６５℃以上高い温度であって最大値が１２０℃になるように制御する（図８）。
次に、制御部５０は、ブラインとフォーカスリング１８のヒータ７５ｄとの温度差が第２の入熱量に応じた温度差になるようにヒータ７５ｄの温度を制御する（ステップＳ１８）。そして、本処理を終了する。
高周波電力ＨＦ，ＬＦがオンされた場合、プラズマからの入熱量が発生するため、ヒータ７５の出力が低下し、ブラインとヒータ７５との温度差が小さい領域においてヒータ７５の温度制御が不安定になることがある。これらの温度制御を安定させるには、従来、ヒータ７５の温度とブラインの温度とを別々に制御する必要があり、煩雑であった。これに対して、本実施形態では、高周波電力と入熱量との関係を示すデータテーブルを予め作成し、高周波電力と入熱量との関係を示すデータテーブルに基づき、プラズマからの入熱量に応じたヒータ７５の温度制御範囲を予想することができる。これにより、ヒータ７５及びブラインの温度制御の安定性を確保できる。
上記の実施形態では、ヒータ７５とブラインとの所定以上の温度差を確保するために、ヒータ７５の温度が制御された。しかしながら、制御部５０は、ヒータ７５の温度制御に替えてブラインの温度を制御してもよいし、ヒータ７５とブラインとの温度を両方制御してもよい。つまり、ヒータ７５の温度及びブラインの温度の少なくともいずれかを制御することで、ヒータ７５とブラインとの温度差が小さくなりすぎないようにすることができ、プラズマからの入熱量を考慮してヒータ７５及びブラインの温度制御の安定性を確保できる。
ブラインの温度を制御する場合の一例としては、チラーユニット７１に高温ブライン層と低温ブライン層とを設け、これらの層を切り替えることで高速にブラインの温度制御を行う方法が挙げられる。
上記の実施形態では、センター部（Ｃ）とブラインとの温度差を基準にしてオペレーションマップが生成された。しかしながら、オペレーションマップの生成は、これに限らずミドル部（Ｍ）、エッジ部（Ｅ）、ベリーエッジ部（ＶＥ）のいずれかとブラインとの温度差を基準にしてオペレーションマップを生成してもよい。オペレーションマップは、高周波電力と入熱量との関係を示す関係式から自動で生成可能である。
（入熱量との関係を示すグラフの他の例）
最後に、入熱量との関係を示す関係式を図示したグラフの他の例について説明する。図９は、高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値とプラズマからの入熱量との関係式を図示したグラフの他の例を示す。図２は、載置台１２のセンター部〜ベリーエッジ部に対する入熱量を同じとして、関係式ｙ２により高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値と入熱量との関係を示す。これに対して、図９は、載置台１２のセンター部からエッジ部に対する入熱量を同じとして、関係式ｙ２により高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値と入熱量との関係を示す。ベリーエッジ部に対しては、関係式ｙ３により高周波電力ＨＦ，ＬＦの合計電力値と入熱量の関係が示される。これにより、ブラインの冷媒管７０の位置によりセンター部〜エッジ部へのプラズマからの入熱量よりもベリーエッジ部への入熱量が高くなる場合を考慮してヒータ７５の温度制御をより精度よく行うことができる。
上記の実施形態では、高周波電力ＨＦ，ＬＦの印加によるプラズマからの入熱量の変化に基づきヒータ７５の温度を制御し、他の要因による入熱量の変化は考慮しなかった。しかしながら、本実施形態の温度制御方法は、高周波電力のみならず、ホットガス等のプラズマ以外の入熱量を考慮してヒータやブラインを温度制御してもよい。この場合、ホットガス等と入熱量との関係を示すデータテーブルを予め作成し、ホットガス等と入熱量との関係を示す関係式に基づき、プラズマ以外からの入熱量に応じたヒータ７５の温度制御範囲を予想することができる。上記プラズマからの入熱量に応じたヒータ７５の温度制御範囲と組み合わせることで、ヒータ７５及びブラインの温度制御の安定性をより確保できる。なお、ブラインとヒータ７５とは、プラズマ処理装置に設けられた温度調整機構の一例である。
以上、載置台の温度制御方法及びプラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかる載置台の温度制御方法及びプラズマ処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の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、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、本発明の温度制御方法は、予め導出された高周波電力やホットガスの量と入熱量との関係を示す関係式に基づき、ヒータやブラインの温度に加え、ガスシャワーヘッド３８の温度、チャンバ１０の内壁やデポシールドの温度制御をすることが可能である。
本発明に係る載置台の温度制御方法は、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、その他のプラズマ処理装置に適用可能である。その他のプラズマ処理装置としては、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。
本明細書では、エッチング対象として半導体ウェハＷについて説明したが、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。
１：プラズマ処理装置
１０：チャンバ
１２：載置台（下部電極）
１８：フォーカスリング
２８：排気装置
３１：第１高周波電力
３２：第２高周波電力
３８：ガスシャワーヘッド（上部電極）
４０：静電チャック
４４：交流電源
４７：給電線
５０：制御部
６２：ガス供給源
７０：冷媒管
７１：チラーユニット
７５：ヒータ
７７：温度センサ

Claims (8)

  1. プラズマ処理装置内にて基板を載置する載置台の温度制御方法であって、
    前記プラズマ処理装置内には前記載置台を冷却する冷却機構及び該載置台を加熱する第１の加熱機構を含む温度調整機構が設けられ、
    前記プラズマ処理装置内に印加される高周波電力と前記載置台への入熱量との関係を示す第１の関係情報を測定により求め、予め記録部に記録したデータテーブルに基づき、所定のプロセスにて印加される高周波電力に対する第１の入熱量を算出し、
    前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分の制御許容範囲を入熱量に応じて段階的に設定し、予め前記記録部に記憶したオペレーションマップに基づき、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分が前記第１の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になるように前記第１の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、
    載置台の温度制御方法。
  2. 前記第１の加熱機構は、前記載置台の面内を複数のゾーンに分けてゾーン毎に加熱することが可能であり、
    前記記録部には、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分の制御許容範囲を入熱量に応じてゾーン毎に段階的に設定したオペレーションマップが記録され、
    前記オペレーションマップに基づき、前記複数のゾーンのそれぞれに対して、前記第１の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になるように前記第１の加熱機構の各ゾーンの温度及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、
    請求項１に記載の載置台の温度制御方法。
  3. 前記温度調整機構は、前記載置台の周囲を囲むフォーカスリングを加熱する第２の加熱機構を含み、
    前記記録部には、前記プラズマ処理装置内に印加される高周波電力と前記フォーカスリングへの入熱量との関係を示す第２の関係情報を測定により求めたデータテーブルが記録され、
    前記データテーブルに基づき、所定のプロセスにて印加される高周波電力に対する第２の入熱量を算出し、
    前記オペレーションマップに基づき、前記冷却機構と前記第２の加熱機構との設定温度の差分が前記第２の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になるように前記第２の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、
    請求項１又は２に記載の載置台の温度制御方法。
  4. 前記第１の加熱機構及び前記冷却機構との温度の差分が、７０℃以下になるように、前記第１の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の載置台の温度制御方法。
  5. 前記第１の加熱機構の最も外側のゾーンと最も内側のゾーンとの温度の差分が、３０℃以下になるように、前記第１の加熱機構の各ゾーンの温度を制御する、
    請求項２〜４のいずれか一項に記載の載置台の温度制御方法。
  6. 前記第１の加熱機構は、前記載置台の面内を該載置台の内側から外側に向けてセンター部、ミドル部、エッジ部及びベリーエッジ部の４ゾーンに分けてゾーン毎に加熱し、
    前記第１の加熱機構のエッジ部の温度が、（３×ミドル部の温度＋ベリーエッジ部の温度）／４で示される温度になるように、前記第１の加熱機構のエッジ部の温度を制御する、
    請求項２〜５のいずれか一項に記載の載置台の温度制御方法。
  7. 前記オペレーションマップに基づき、前記冷却機構と前記第２の加熱機構との設定温度の差分の下限値が前記第２の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になり、かつ、該差分の最大値が１２０℃を超えないように前記第２の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、
    請求項３〜６のいずれか一項に記載の載置台の温度制御方法。
  8. 基板を載置する載置台の温度制御を行う制御部を有するプラズマ処理装置であって、
    前記プラズマ処理装置内には前記載置台を冷却する冷却機構及び該載置台を加熱する第１の加熱機構を含む温度調整機構が設けられ、
    前記制御部は、
    前記プラズマ処理装置内に印加される高周波電力と前記載置台への入熱量との関係を示す第１の関係情報を測定により求め、予め記録部に記録したデータテーブルに基づき、所定のプロセスにて印加される高周波電力に対する第１の入熱量を算出し、
    前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分の制御許容範囲を入熱量に応じて段階的に設定し、予め前記記録部に記憶したオペレーションマップに基づき、前記冷却機構と前記第１の加熱機構との設定温度の差分が前記第１の入熱量に応じた制御許容範囲内の温度になるように前記第１の加熱機構及び前記冷却機構の少なくともいずれかの温度を制御する、
    プラズマ処理装置。
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