DE112006000327T5

DE112006000327T5 - Vorrichtung zur Temperatursteuerung eines Substrats

Info

Publication number: DE112006000327T5
Application number: DE112006000327T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. San Mateo Kropewnicki; Theodoros Cupertino Panagopoulos; Nicolas Milpitas Gani; Wilfred Santa Clara Pau; Meihua Fremont Shen; John P. San Jose HOLLAND
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-12-27
Also published as: KR20070117602A; WO2006094162A2; KR100899244B1; WO2006094162A3

Abstract

Eine Substratträgeranordnung, umfassend:
eine elektrostatische Halteeinrichtung mit mindestens einer darin befindlichen Halteelektrode;
einen durch mindestens den Sockel oder die elektrostatische Halteeinrichtung verlaufenden Durchlass,
ein mit der Unterseite der elektrostatischen Halteeinrichtung verbundener metallischer Sockel;
eine Fluidleitung, die in mindestens der elektrostatischen Halteeinrichtung oder dem Sockel zur Verfügung gestellt ist, wobei die Fluidleitung ein Segment enthält, das sich um den Durchlass schlingt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Erfindungsgebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen im allgemeinen Halbleitersubstrat-Bearbeitungssysteme. Im Speziellen, betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur eines Substrats in einem Halbleitersubstrat-Bearbeitungssystem.
Beschreibung des Stands der Technik
Bei der Herstellung von integrierten Schaltungen ist die präzise Steuerung verschiedener Prozessparameter erforderlich, um sowohl ein gleichmäßiges Ergebnis für ein Substrat als auch von Substrat zu Substrat reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Während der Bearbeitung auftretende Temperaturgradienten und Änderungen der Temperatur innerhalb des Substrats können der Materialabscheidung, der Ätz-Rate, der Stufenabdeckung, den Verjüngungswinkeln von Merkmalen und anderen Parametern von Halbleitergeräten abträglich sein. Daher ist die Schaffung einer vordefinierten Temperaturverteilung des Substrats eine der entscheidenden Bedingungen für das Erzielen einer hohen Ausbeute.
Bei manchen Bearbeitungsanwendungen wird ein Substrat während der Bearbeitung durch eine elektrostatische Haltevorrichtung auf einem Substratträger gehalten. Die elektrostatische Haltevorrichtung ist mit der Basis des Trägers durch Klemmen, Haftmittel oder Verbindungselemente gekoppelt. Die Haltevorrichtung kann mit einer eingebauten elektrischen Heizung versehen sowie fluid-leitend mit einer Quelle von Rückseiten-Wärmeleitungs- Gas zur Steuerung der Substrattemperatur während der Bearbeitung gekoppelt sein. Herkömmliche Substrattische weisen jedoch unzureichende Mittel zur Steuerung der Substrattemperaturverteilung über den Durchmesser des Substrats auf. Die fehlende Möglichkeit zur Steuerung der Einheitlichkeit der Substrattemperatur hat einen nachteiligen Effekt auf die Gleichförmigkeit des Prozesses sowohl innerhalb eines einzelnen Substrats als auch zwischen mehreren Substraten, auf die Ausbeute an Werkstücken und die Gesamtqualität der verarbeiteten Substrate.
Daher besteht Bedarf nach einem verbesserten Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur eines Substrats während der Bearbeitung des Substrats in einer Halbleiter-Substrat-Bearbeitungseinrichtung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle der Temperatur eines Substrats während der Bearbeitung des Substrats in einer Halbleitersubstrat-Bearbeitungsvorrichtung. Das Verfahren und die Vorrichtung verbessern die Steuerung der Temperatur über den Durchmesser eines Substrats und können in Systemen zur Ätzung, Abscheidung und Implantierung sowie in Systemen zur thermischen Bearbeitung und ähnlichen Fällen verwendet werden, in denen die Steuerung des Temperaturprofils eines Werkstücks wünschenswert ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Substratträgeranordnung mit einem metallischen Sockel bereitgestellt, der mit der Unterseite einer elektrostatischen Haltevorrichtung verbunden ist. Durch den Sockel verläuft ein Durchlass. Zumindest in der elektrostatischen Haltevorrichtung oder dem Sockel ist eine Fluidleitung vorgesehen, wobei die Fluidleitung ein den Durchlass umwindendes Teilstück aufweist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Substratträgeranordnung bereitgestellt, die eine elektrostatische Halteeinrichtung mit mindestens einer, zwischen einer substrattragenden Fläche und einer Unterseite vorgesehenen Halteelektrode, und einen metallischen Sockel mit einer mit der unteren Fläche der elektrostatischen Haltevorrichtung gekoppelten oberen Fläche aufweist, wobei mindestens die elektrostatische Halteeinrichtung oder der Sockel eine Aussparung aufweisen. In dem Sockel befindet sich eine Fluidleitung, die im Wesentlichen parallel zu der oberen Fläche angeordnet ist. Die Fluidleitung weist eine an einem Mittelpunkt des Sockels ausge richtete größere Krümmung und eine an dem Durchlass ausgerichtete kleinere Krümmung auf.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Substratträgeranordnung bereitgestellt, die eine mit einem metallischen Sockel verbundene elektrostatische Halteeinrichtung umfasst. Die elektrostatische Halteeinrichtung umfasst mindestens eine Halteelektrode, der metallische Sockel umfasst mindestens zwei voneinander getrennte Leitungsschleifen in seinem Inneren.
In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Sockelanordnung einen Auflageteil, der mit einem Sockel durch eine Materialschicht verbunden ist. Die Materialschicht weist mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Auflageteil eine elektrostatische Halteeinrichtung. In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Trägeranordnung zwischen dem Sockel und dem Auflageteil gebildete Kanäle zur Bereitstellung von Kühlgas in der Nähe der Materialschicht auf, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Auflageteil und dem Sockel zu steuern, wodurch das Temperaturprofil eines auf dem Auflageteil befindlichen Substrats gesteuert wird.
In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Trägeranordnung einen Auflageteil, der mit einem Sockel über eine Materialschicht verbunden ist. Die Materialschicht weist mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Wärmeleit-Koeffizienten auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Auflageteil eine elektrostatische Halteeinrichtung. In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Trägeranordnung zwischen dem Sockel und dem Auflageteil gebildete Kanäle zur Bereitstellung von Kühlgas in der Nähe der Materialschicht auf, wodurch die Kontrolle der Steuerung des Temperaturprofils eines auf dem Auflageteil befindlichen Substrats ermöglicht wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
Damit die oben aufgezählten Merkmale der vorliegenden Erfindung im Detail verständlich werden, wird die oben kurz beschriebene Erfindung im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben, von denen einige in den beigefüg ten Figuren dargestellt sind. Es sei jedoch betont, dass die beigefügten Figuren nur typische Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung betrachtet werden sollten, da die Erfindung sich auch auf andere gleichwertige Ausführungsbeispiele beziehen kann.
1A ist eine schematische Zeichnung eines Beispiels einer Halbleitersubstrat-Bearbeitungsvorrichtung, die einen Substratträger in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst.
1B–1C stellen Teil-Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen eines Substratträgers dar, der an verschiedenen Stellen in einer Materialschicht des Substratträgers ausgeführte Hohlräume aufweist;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht des Substratträgers entlang einer Linie 2-2 in 1A;
3 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
4 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
5 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Steuerung der Temperatur eines Substrats auf einem Substratträger;
7 ist eine senkrechte Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Sockels einer Trägeranordnung;
8 zeigt eine Unteransicht des Sockels aus 7;
9 ist eine Teilschnittansicht des Sockels aus 7;
10A–H sind Unteransichten eines Sockels, die verschiedene Möglichkeiten des Verlaufs einer darin befindlichen Leitung aufzeigen.
11 ist eine Unteransicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Sockels einer Trägeranordnung, und
12 ist eine Teilschnittansicht des Sockels aus 11.
Um das Verständnis zu erleichtern, wurden zur Bezeichnung gleichartiger Elemente in verschiedenen Figuren so weit wie möglich identische Bezugszeichen verwendet. Des Weiteren können Bauelemente und Merkmale eines Ausführungsbeispiels vor teilhaft in anderen Ausführungsbeispielen integriert werden, ohne dass dies hier weiterer Ausführungen bedarf.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur eines Substrats während der Bearbeitung. Obwohl die Erfindung beispielhaft an einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Halbleiter-Substrats beschrieben ist, wie z. B. einem Bearbeitungsreaktor (oder -modul) des integrierten Halbleiterwafer-Bearbeitungssystems CENTURA^® der Firma Applied Materials Inc. aus Santa Clara/Kalifornien, kann die Erfindung auch in anderen Bearbeitungssystemen angewendet werden, die Ätzen, Abscheiden, Implantieren oder thermische Bearbeitungsverfahren umfassen, oder in anderen Anwendungsbereichen, bei denen die Steuerung des Temperaturprofils eines Substrats oder eines anderen Werkstücks wünschenswert ist.
1 zeigt die schematische Zeichnung eines beispielhaften Ätz-Reaktors 100, der ein Ausführungsbeispiel einer Substratträgeranordnung 116 umfasst, das erläuternd als praktisches Anwendungsbeispiel der Erfindung dienen kann. Das hier gezeigte spezielle Ausführungsbeispiel des Ätz-Reaktors 100 wird lediglich zur Anschauung verwendet und sollte nicht zur Begrenzung des Schutzumfangs der Erfindung herangezogen werden.
Der Ätz-Reaktor 100 umfasst im Allgemeinen eine Prozesskammer 110, eine Gaskonsole 138 und eine Steuereinheit 140. Die Prozesskammer 110 umfasst einen Grundkörper (Wand) 130 und eine Decke 120, die ein Prozessvolumen einhüllen. Dem Prozessvolumen der Kammer 110 werden von der Gaskonsole 138 Prozessgase zugeführt.
Die Steuereinheit 140 umfasst eine Zentraleinheit (CPU) 144, einen Speicher 142 und Hilfsschaltkreise 146. Die Steuereinheit 140 ist mit dem Ätz-Reaktor 100 verbunden, steuert dessen Komponenten und in der Kammer 110 ablaufende Prozesse und kann einen optionalen Datenaustausch mit Datenbanken einer Fabrik für integrierte Schaltungen ermöglichen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Decke 120 ein im Wesentlichen flaches dielektrisches Bauteil. Andere Ausführungsbeispiel der Prozesskammer 110 können andere Arten von Decken umfassen, wie z. B. eine kalottenförmige Decke. Über der Decke 120 befindet sich eine Antenne 112, die eine oder mehrere Spulen als induktive Elemente aufweist (zwei koaxiale Spulen 112A und 112B sind dargestellt). Die Antenne 112 ist über eine erste Anpassungsschaltung 170 mit einer Radiofrequenz(RF)-Plasma-Stromquelle 118 verbunden
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Substratträgeranordnung 116 ein Auflageteil 126, eine wärmeleitende Schicht 134, einen Sockel 114, einen Ring 152, einen Verbindungsring 154, einen Abstandshalter 178, eine Manschette 164 und eine Montageanordnung 162. Die Montageanordnung 162 verbindet den Sockel 114 mit der Prozesskammer 110. Der Sockel 114 besteht im Allgemeinen aus Aluminimum oder einem anderen metallischen Material. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Sockel 114 weiterhin mindestens eine optional eingebaute Heizung 158 (eine Heizung 158 ist dargestellt), mindestens einen optional eingebauten Einsatz 168 (ein ringförmiger Einsatz 168 ist dargestellt), und eine Mehrzahl optionaler Leitungen 160, die fluidleitend mit einer Quelle 182 eines Heiz- oder Kühlfluids verbunden sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sockel 114 weiterhin thermisch von der Manschette 164 durch einen optionalen Abstandshalter 178 getrennt.
Die Leitungen 160 und die Heizung 158 können zur Steuerung der Temperatur des Sockels 114 verwendet werden, wobei sie den Auflageteil 126 heizen oder kühlen und dabei teilweise die Temperatur des Substrats 150 steuern, das sich während der Bearbeitung auf dem Auflageteil 126 befindet.
Der Einsatz 168 ist aus einem Material mit einem Wärmeleit-Koeffizienten hergestellt, der sich von dem des Materials der benachbarten Bereiche des Sockels 114 unterscheidet. Typischerweise weisen die Einsätze 168 einen kleineren Wärmeleitkoeffizienten als der Sockel 114 auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Einsätze 168 aus einem Material mit einem anisotropen Wärmeleitkoeffizienten gebildet sein (das heißt, einem richtungsabhängigen Wärmeleitkoeffizienten). Der Einsatz 168 dient zur lokalen Veränderung der Wärmeaustauschrate zwischen dem Auflageteil 126 und den Leitungen 160 durch den Sockel 114 im Vergleich mit der Wär meaustauschrate durch benachbarte Teile des Sockels 114, die keinen Einsatz 168 auf dem Weg der Wärmeleitung aufweisen. Daher kann durch die Beeinflussung von Anzahl, Form, Größe, Position und des Wärmeleitkoeffizienten der Einsätze das Temperaturprofil des Auflageteils 126 und des darauf befindlichen Substrats 150 gesteuert werden. Obwohl der Einsatz 168 in 1 ringförmig dargestellt ist, kann der Einsatz 168 jede beliebige Form annehmen.
Die wärmeleitende Schicht 134 befindet sich auf einer die Halteeinrichtung tragenden Fläche 180 des Sockels 114 und ermöglicht eine wärmeleitende Verbindung (d.h. einen Wärmeaustausch) zwischen dem Auflageteil 126 und dem Sockel 114. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die wärmeleitende Schicht 134 eine Haftschicht, die das Auflageteil 126 mechanisch mit der unterstützenden Fläche 180 verbindet. Alternativ (nicht gezeigt) kann die Substratträgeranordnung 116 mechanische Mittel (z. B. Klemmen, Schrauben und ähnliches) zur Befestigung des Auflageteils 126 an dem Sockel 114 umfassen. Die Temperatur des Auflageteils 126 und des Sockels 114 wird über eine Mehrzahl von Sensoren (nicht dargestellt) überwacht, wie etwa Thermoelemente oder ähnliches, die mit einer Temperaturüberwachung 174 verbunden sind.
Der Auflageteil 126 befindet sich auf dem Sockel 114 und ist durch die Ringe 152, 154 begrenzt. Der Auflageteil 126 kann aus Aluminium, Keramik oder anderen Stoffen bestehen, die zur Unterstützung des Substrats 150 während der Bearbeitung geeignet sind. In einem Ausführungsbeispiel ist das Auflageteil 126 aus Keramik. Das Substrat 150 kann auf dem Auflageteil 126 durch die Schwerkraft aufliegen oder alternativ durch ein Vakuum, eine elektrostatische Kraft, mechanische Klemmen und ähnliches darauf befestigt sein. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Auflageteil 126 eine elektrostatische Halteeinrichtung 188.
Die elektrostatische Halteeinrichtung 188 ist im allgemeinen aus Keramik oder einem ähnlichen dielektrischen Material gebildet und weist mindestens eine Halteelektrode 186 auf, die über eine Stromversorgung 128 gesteuert wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die elektrostatische Halteeinrichtung 188 mindestens eine Radiofrequenz-Elektrode (nicht dargestellt), die durch eine zweite Anpassungsschaltung 124 mit einer Stromquelle 122 einer Substratvorspannung verbunden ist, und weiter hin mindestens eine eingebaute Heizung 184 umfassen, die mittels einer Stromversorgung 132 gesteuert wird.
Die elektrostatische Halteeinrichtung 188 kann weiterhin eine Mehrzahl von Gasdurchlässen umfassen (nicht dargestellt), etwa in Form von Nuten, die in einer substrattragenden Fläche 176 der Halteeinrichtung gebildet sind und fluidleitend mit einer Quelle 148 eines Wärmeleit- (oder Rückseiten-)Gases verbunden sind. Während des Betriebs wird Rückseiten-Gas (z. B. Helium He) unter kontrolliertem Druck in den Gasdurchlässen bereitgestellt, um den Wärmeaustausch zwischen der elektrostatischen Halteeinrichtung 188 und dem Substrat 150 zu erhöhen. Herkömmlicherweise ist mindestens die substrattragende Fläche 176 der elektrostatischen Halteeinrichtung mit einer Beschichtung versehen, die widerstandsfähig gegenüber den bei der Substrat Bearbeitung eingesetzten Chemikalien und Temperaturen ist.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Auflageteil 126 mindestens einen eingebetteten Einsatz 166 (ein ringförmiger Einsatz 166 ist dargestellt), der aus mindestens einem Material hergestellt ist, dessen Wärmeleitkoeffizient sich von dem des Materials oder der Materialien benachbarter Bereiche des Auflageteils 126 unterscheidet. Typischerweise bestehen die Einsätze 166 aus Materialien, die einen kleineren Wärmeleitkoeffizienten als die Materialien der benachbarten Bereiche aufweisen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Einsätze 166 aus Materialien mit einem anisotropen Wärmeleitkoeffizienten bestehen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) ist mindestens ein Einsatz 166 koplanar zu der substrattragenden Oberfläche 176 ausgeführt.
Ebenso wie bei den Einsätzen 168 des Sockels 114 können auch die thermischen Leitfähigkeiten, die Form, die Abmessungen, Orte und Anzahl der Einsätze 166 des Auflageteils 126 gezielt gewählt werden, um die Wärmeleitung durch die Trägeranordnung 116 zu steuern und während des Betriebs ein vordefiniertes Muster einer Temperaturverteilung auf der substrattragenden Oberfläche 176 des Auflageteils 126 und damit über den Durchmesser des Substrats 150 zu erreichen.
Die wärmeleitende Schicht 134 weist eine Mehrzahl von Materialbereichen (zwei ringförmige Bereiche 102, 104 und ein ringförmiger Bereich 106 sind dargestellt) auf, von denen mindestens zwei jeweils verschiedene Wärmeleitkoeffizienten aufweisen. Jeder Bereich 102, 104, 108 kann aus mindestens einem Material mit einem anderen Wärmeleitkoeffizienten bestehen als das Material/die Materialien benachbarter Bereiche der wärmeleitenden Schicht 134. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können ein oder mehrere der Materialien, die die Bereiche 102, 104, 106 umfassen, einen anisotropen Wärmeleitkoeffizienten aufweisen. Beispielsweise können sich die Wärmeleitkoeffizienten des Materials in der Schicht 134 in senkrechter oder paralleler Richtung zu der unterstützenden Fläche 180 von den Koeffizienten in mindestens einer anderen Richtung unterscheiden. Der Wärmeleitkoeffizient zwischen den Bereichen 102, 104, 106 der Schicht 134 kann zur Förderung lateral unterschiedlicher Wärmeleitung zwischen der Halteeinrichtung 126 und dem Sockel 114 gewählt werden, wodurch die Temperaturverteilung über den Durchmesser des Substrats 150 gesteuert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können Hohlräume 190 (wie in 1B gezeigt) zwischen mindestens zwei benachbarten Bereichen der wärmeleitenden Schicht 134 vorgesehen sein. Diese Hohlräume 190 können in der Schicht 134 entweder gasgefüllte oder evakuierte Räume mit definierten Formen bilden. Eine Hohlraum 190 kann alternativ innerhalb eines Bereichs der Schicht 134 gebildet sein (wie in 1C gezeigt).
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Substratträgers entlang einer Linie 2-2 in 1A. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die wärmeleitende Schicht 134 zu Illustrationszwecken die ringförmigen Bereiche 102, 104 und den kreisförmigen Bereich 106. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Schicht 134 entweder mehr oder weniger als drei Bereiche umfassen und die Bereiche können unterschiedliche Formfaktoren aufweisen, z. B. können sie unter anderem als Gitter, radial ausgerichteten Formen und polare Anordnungen angeordnet sein. Die Bereiche der wärmeleitenden Schicht 134 können aus Materialien bestehen (z. B. Klebstoffen), die in Form einer Paste appliziert werden, die sich im Weiteren zu einem harten klebenden Verbundstoff entwickelt, sowie in Form eines Klebebands oder einer Klebefolie. Die Leitfähigkeit der Materialien der wärmeleitenden Schicht 134 können aus einem Bereich von 0,01 bis 200 W/mK und in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel in einem Bereich von 0,1 bis 10 W/mK ausgewählt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel weisen benachbarte Bereiche einen Unterschied in ihrer thermischen Leitfähigkeit in einem Bereich von um die 0,1 bis 10 W/mK auf und können einen Unterschied in der Leitfähigkeit zwischen einem innersten und einem äußersten Bereich der Schicht 134 von um die 0,1 bis 10 W/mK aufweisen. Beispiele von geeigneten klebenden Materialien umfassen typischerweise, aber nicht ausschließlich, Klebstoffe und Klebebänder mit acryl- und siliziumbasierten Bestandteilen. Die Klebstoffe können zusätzlich mindestens ein wärmeleitendes keramisches Füllmaterial wie z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AIN), Titandiborid (TIB₂) und ähnliche enthalten. Ein Beispiel eines geeigneten Klebebands für die leitende Schicht 134 ist das unter dem Handelsnamen THERMATTACH^® von Chomerics vertriebene, einer Tochtefirma der Parker Hannifin Coroporation aus Wolburn/Massachusetts.
Die Wärmeleitfähigkeit, der Formfaktor, die Abmessungen und die Anzahl von Bereichen mit definierten Wärmeleitkoeffizienten der wärmeleitenden Schicht 134 können gezielt zur Steuerung der Wärmeleitung zwischen der elektrostatischen Halteeinrichtung 126 und dem Sockel 114 gewählt werden, um während des Betriebs ein vordefiniertes Muster der Temperaturverteilung der substrattragenden Fläche 176 der Halteeinrichtung, und damit des Substrats 150 zu erreichen. Zur weitergehenden Steuerung der Wärmeleitung durch die leitende Schicht 134 zwischen dem Sockel 114 und dem Auflageteil 126 sind ein oder mehrere Kanäle 108 vorgesehen, durch die ein Wärmetransportmedium fließt. Die Kanäle 108 sind durch den Sockel 114 mit einer Quelle 150 eines Wärmetransportmediums, wie etwa einem Kühlgas, verbunden. Beispiele geeigneter Kühlgase umfassen unter anderem Helium und Stickstoff. Da das in den Kanälen 108 befindliche Kühlgas Teil des Wärmeleitungswegs zwischen der Halteeinrichtung 126 und dem Sockel 114 ist, ermöglichen die Position der Kanäle 108 und der Druck, die Flussrate, die Temperatur, Dichte und Zusammensetzung des wärmeleitenden Mediums des Kühlgases eine verbesserte Steuerung des Wärmeleitungsprofils durch die Trägeranordnung 116. Darüber hinaus kann, weil Dichte und Flussrate des Gases in dem Kanal 108 in situ während der Bearbeitung des Substrats 150 steuerbar sind, die Temperatursteuerung des Substrats 150 während der Bearbeitung zur weiteren Steigerung der Bearbeitungsleistung verbessert werden. Obwohl eine einzelne Quelle 156 des Kühlgases dargestellt ist, sei hier vorausgesetzt, dass eine oder mehrere Kühlgas-Quellen mit den Kanälen 108 so gekoppelt werden können, dass die Arten, die Drücke und/oder Flussraten des Kühlgases in den einzelnen Kanälen 108 unabhängig voneinander gesteuert werden können, wodurch eine noch höhere Qualität der Temperatursteuerung möglich wird.
In dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kanäle 108 als in der unterstützenden Fläche 180 ausgebildet dargestellt. Es sei jedoch vorausgesetzt, dass die Kanäle 180 auch mindestens teilweise in der unterstützenden Fläche 180, mindestens teilweise in der unteren Fläche des Auflageteils 126, oder mindestens teilweise in der wärmeleitenden Schicht 134 sowie in Kombinationen der vorgenannten ausgebildet sein können. In einem Ausführungsbeispiel sind zwischen etwa 2 bis 10 Kanäle 108 in der Trägeranordnung 116 vorgesehen, die jeweils individuell auf einem Druck zwischen etwa 760 Torr (Atmosphärendruck) und ungefähr 10 Torr gehalten werden. Zum Beispiel kann, wie in den 3–4 dargestellt, mindestens einer der Kanäle 108 teilweise oder komplett in der elektrostatischen Halteeinrichtung 126 ausgebildet sein. Genauer gesagt zeigt 3 eine schematische Darstellung eines Teils der Substratträgerandordnung 116, bei der die Kanäle 108 komplett innerhalb der elektrostatischen Halteeinrichtung 126 ausgebildet sind. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der Substratträgeranordnung 116, bei der die Kanäle 108 teilweise in dem Sockel 114 und teilweise in der elektrostatischen Halteeinrichtung 126 ausgebildet sind. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der Substratträgeranordnung 116, bei der die Kanäle 108 in der wärmeleitenden Schicht 134 ausgebildet sind. Obwohl in 5 die Kanäle als zwischen den unterschiedlichen Bereichen 102, 104, 106 der wärmeleitenden Schicht 134 befindlich dargestellt sind, können die ein oder mehreren Kanäle durch einen oder mehrere der Bereiche 102, 104, 106 hindurch ausgeführt sein.
Um zu 1A zurückzukehren: Mindestens einer der Parameter Ort, Form, Abmessungen und Anzahl der Kanäle 108 und der Einsätze 166, 168, ebenso wie die Wärmeleitfähigkeit der Einsätze 166, 168 und des in den Kanälen 108 befindlichen Gases kann wahlweise zur Steuerung des Wärmetransports zwischen dem Auflageteil 126 und dem Sockel 114 gewählt werden, um während des Betriebs ein vordefiniertes Muster der Temperaturverteilung in der substrattragenden Halteeinrichtung und damit die Steuerung des Temperaturprofils des Substrats 150 zu erzielen. In weiteren Ausführungsbeispielen können der Druck des Kühlgases in mindestens einem Kanal 108, sowie der Fluss der Kühlflüssigkeit in mindestens einer Leitung 156 ebenfalls gezielt so gesteuert werden, dass die Temperatursteuerung des Substrats erreicht und/oder verbessert wird. Die Wärmeleitungsrate kann außerdem durch die individuelle Kontrolle der Gasart, des Drucks und/oder der Flussrate in den entsprechenden Kanälen 108 gesteuert werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann ein vordefiniertes Muster der Temperaturverteilung des Substrats 150 durch den Einsatz einzelner der beschriebenen Steuerungsmittel oder von deren Kombinationen erzielt werden, z. B. der wärmeleitenden Schicht 134, der Einsätze 166, 168, der Kanäle 108, der Leitungen 160, des Drucks des Kühlgases in den Kanälen 108 und des Flusses der Kühlflüssigkeit in den Leitungen 160. Weiterhin können die in den oben diskutierten Ausführungsbeispielen vordefinierten Muster der Temperaturverteilung der substrattragenden Fläche 176 und des Substrats 150 zusätzlich zur Kompensierung von Ungleichmäßigkeiten der während der Bearbeitung des Substrats 150 durch ein Plasma des Bearbeitungsgases und/oder der durch Substratvorspannungen erzeugten Wärmeflüsse gesteuert werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfinderischen Verfahrens zur Steuerung der Temperatur eines Substrats, das in einer Halbleitersubstrat-Bearbeitungsvorrichtung in einem Prozess 600 verarbeitet wird. Der Prozess 600 enthält zu Darstellungszwecken die Prozessschritte, die mit dem Substrat 150 während der Bearbeitung in dem in den obigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Reaktor 100 durchgeführt werden. Es sei vorausgesetzt, dass der Prozess 600 auch in anderen Bearbeitungssystemen ausgeführt werden kann.
Der Prozess 600 beginnt bei Schritt 601, der von Schritt 602 gefolgt ist. In Schritt 602 wird das Substrat 150 zur Trägeranordnung 116 transferiert, die sich in der Prozesskammer 110 befindet. In Schritt 604 wird das Substrat 150 auf der substrattragenden Fläche 176 der elektrostatischen Halteeinrichtung 188 positioniert (z. B. durch einen Substratroboter, nicht dargestellt). In Schritt 606 veranlasst die Stromversorgung 132 die elektrostatische Halteeinrichtung 188, das Substrat 150 auf der unterstützenden Fläche 176 der Halteeinrichtung 188 zu fixieren. In Schritt 608 wird das Substrat 150 in der Prozesskammer 110 in Übereinstmmung mit einem durch das Steuergerät 140 vorgegebenen Prozessverlauf verarbeitet (z. B. geätzt). Während des Schritts 608 ermöglicht die Substratträgeranordnung 116 durch den Einsatz eines oder mehrerer der Temperatursteuerungs-Attribute der Trägeranordnung 116, die oben mit Bezugnahme auf die 1–5 diskutiert wurden, ein vordefiniertes Muster der Temperaturverteilung innerhalb des Substrats 150. Optional kann die Rate und/oder das Profil der während des Schritts 608 durch die Halteeinrichtung 114 übertragenen Wärme in situ durch die Änderung einer oder mehrerer Eigenschaften des in einem oder mehrerer der Kanäle 108 befindlichen Gases eingestellt werden. Nach Fertigstellung der Bearbeitung in Schritt 610 schaltet die Stromversorgung 132 die elektrostatische Halteeinrichtung 188 ab und gibt damit das Substrat 150 frei, das im Weiteren aus der Prozesskammer 110 entfernt wird. Bei Schritt 612 endet der Prozess 600.
Die 7–9 sind vertikale Teilansichten, Unteransichten und eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sockels 700. Es sei vorausgesetzt, dass der Sockel 700 vorteilhaft mit einer der beschriebenen Substratträgeranordnungen verwendet werden kann. In dem in den 7–9 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Sockel 700 eine obere Fläche 702 und eine untere Fläche 704. Ein Kanal 706 ist in der unteren Fläche 704 des Sockels 700 ausgebildet. Der Kanal 706 ist zur Bildung einer Fluidleitung 710 mit einer Abdeckung 708 bedeckt. Die Leitung 710 umfasst einen Einlass 714 und einen Auslass 716, die für die Aufnahme eines Anschlussstücks ausgelegt sind, das wie in 1 dargestellt ihren Anschluss an eine Wärmeleitungsfluid-Steuerungsquelle 182 ermöglicht.
In dem in den 7–9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kanal 706 in die Bodenfläche 704 des Sockels 700 eingearbeitet. Die Fertigung wird so durchgeführt, dass sich eine oder mehrere Rippen 712 in das durch den Kanal 706 definierte Gebiet erstrecken. Die Rippe 712 vergrößert die für einen Wärmetransport zur Verfügung stehende Oberfläche der Leitung 710, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem in der Leitung 710 fließenden Fluid und dem Sockel 700 erhöht wird.
Eine Abdeckung 708 befindet sich in dem Kanal 706 und ist mit dem Sockel 700 zur Bildung der Leitung 710 verbunden. In dem in den 7–9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abdeckung 708 durchgehend an den Sockel 700 angeschweißt, um das Austreten von in der Leitung 710 fließendem Fluid unter Vakuumbedingungen zu verhindern. Es sei vorausgesetzt, dass die Abdeckung 708 auch unter Verwendung anderer abdichtender Verfahren dichtend mit dem Sockel 700 verbunden werden kann.
Die 10A–H zeigen Unteransichten des Sockels 700 mit unterschiedlichen Konfigurationen des Verlaufs der Leitung 710. Wie gezeigt wurde, kann die Leitung 710 so geleitet werden, dass ein vordefiniertes Temperaturprofil der Unterstützungsanordnung gewährleistet ist, wodurch das Temperaturprofil des darauf befindlichen Substrats gesteuert werden kann.
Die 11–12 zeigen Unter- und Querschnittsteilansichten eines anderen Ausführungsbeispiels eines Sockels 1100, der in den beschriebenen Substratträgeranordnungen verwendet werden kann. Der in den 11–12 gezeigte Sockel 1100 umfasst im Allgemeinen mindestens zwei getrennte Kühlschleifen 1102, 1104, die zur Bildung von mindestens zwei unabhängig voneinander kontrollierbaren Temperaturbereichen 1106, 1108 in dem Sockel 1100 ausgebildet sind. Die Kühlschleifen 1102, 1104 sind im Allgemeinen nach dem oben beschriebenen Verfahren oder durch andere geeignete Verfahren gebildete Leitungen. In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Kühlschleife 1102 in radialer Richtung außerhalb der zweiten Kühlschleife 1104 angeordnet, so dass die Temperatursteuerungszonen 1106, 1108 konzentrisch sind. Es sei erwähnt, dass die Schleifen 1102, 1104 in radialer Richtung ausgerichtet sein können oder andere räumliche Anordnungen aufweisen können. Die Kühlschleifen 1102, 1104 können mit einer einzelnen Quelle eines Wärmeleitungsfluids verbunden sein, dessen Temperatur gesteuert wird, oder wie in dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel kann jede Schleife 1102, 1104 jeweils mit einer separaten Quelle eines Wärmeleitungsfluids 1112, 1114 verbunden sein, so dass die Temperatur in den Zonen 1106, 1108 unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Optional kann ein Einsatz 1110, ähnlich zu dem oben beschriebenen Einsatz 168, in Querrichtung zwischen den ersten und zweiten Kühlschleifeneinsätzen 168 vorgesehen sein, um eine verbesserte Wärmeisolierung zwischen den Zonen 1106, 1108 zu schaffen. Der Einsatz 1110 kann sich bis zur unteren Fläche des Sockels 1100 erstrecken wie in 11 gezeigt, oder in den Sockel 1100, wie in 12 dargestellt, eingebettet sein.
Die beschriebene Substratträgeranordnung erlaubt die flexible Temperatursteuerung eines darauf befindlichen Substrates. Die unterschiedlichen Merkmale der Substratträgeranordnung können zur Schaffung mehrerer Bereiche zur Temperatursteuerung gewählt werden, wodurch die Kontrolle des Temperaturprofils des Substrats ermöglicht wird.
Zusammenfassung
Eine Trägereinrichtung zum Kontrollieren einer Temperatur eines Substrates während der Bearbeitung ist zur Verfügung gestellt. In einer Ausführungsform enthält die Trägereinrichtung eine zu einem metallischen Sockel gekoppelte elektrostatische Halteeinrichtung. Die elektrostatische Halteeinrichtung beinhaltet zumindest eine Halteelektrode und der metallische Sockel enthält zumindest eine darin angeordnete Fluidleitungsschleife zum Regulieren der Temperatur des Halters. Die Führung der Schleife ist so angeordnet, dass sie Hohlräume, die durch den Halter ausgebildet sind, kompensiert.

Claims

Eine Substratträgeranordnung, umfassend: eine elektrostatische Halteeinrichtung mit mindestens einer darin befindlichen Halteelektrode; einen durch mindestens den Sockel oder die elektrostatische Halteeinrichtung verlaufenden Durchlass, ein mit der Unterseite der elektrostatischen Halteeinrichtung verbundener metallischer Sockel; eine Fluidleitung, die in mindestens der elektrostatischen Halteeinrichtung oder dem Sockel zur Verfügung gestellt ist, wobei die Fluidleitung ein Segment enthält, das sich um den Durchlass schlingt.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: mit der elektrostatischen Halteeinrichtung verbundene und durch den Durchlass verlaufende elektrische Leiter.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens einen rückseitigen Gaskanal, der in einer substrattragenden Fläche der elektrostatischen Halteeinrichtung gebildet ist und mit dem Durchlass verbunden ist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei der Durchlass ferner umfasst: eines einer Mehrzahl von Hebestiftlöchern, die durch den Sockel und die elektrostatische Halteeinrichtung ausgebildet sind, wobei die Hebestiftlöcher in einer polaren Anordnung angeordnet sind.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Fluidleitung ferner umfasst: einen Einlass und einen Auslass, wobei ein Teil der Fluidleitung, der sich vom Einlass erstreckt, ferner einen schleifenartigen Teil mit einem Ende aufweist, so dass eine Leitungslänge, die vom Ende des schleifenartigen Teils bis zum Einlass definiert ist, im Wesentlichen gleich zu einer Leitungslänge ist, die von dem Auslass bis zu einer dem Ende der Schleife radial benachbarten Position definiert ist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei der Sockel mit der Halteeinrichtung verbunden ist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Fluidleitung ferner umfasst: einen Mittelpunkt, der zwischen einem Einlass und einem Auslass der Fluidleitung definiert ist, wobei ein erster Teil der Fluidleitung zwischen dem Mittelpunkt und dem Auslass definiert ist, und ein zweiter Teil der Fluidleitung zwischen dem Mittelpunkt und dem Auslass definiert ist, und der erste Teil den zweiten Teil der Fluidleitung räumlich getrennt folgt, und wobei eine erste, von dem Mittelpunkt der Leitung bis zu einer ersten Position definierte Länge im Wesentlichen gleich zu einer zweiten, von dem Mittelpunkt der Leitung bis zu einer zweiten radial außerhalb der ersten Position befindlichen Position definiert ist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen zweiten durch den Sockel verlaufenden Durchlass, wobei die Fluidleitung ein zweites, sich um den zweiten Durchlass windendes Segment umfasst.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 8, wobei der erste Durchlass ferner umfasst: eines aus einer Mehrzahl von durch den Sockel und die elektrostatische Halteeinrichtung gebildeten Hebestiftlöchern, wobei die Hebestiftlöcher in einer polaren Anordnung angeordnet sind, und wobei der zweite Durchlass ferner umfasst: einen Durchlass zur Versorgung mit rückwärtigem Gas, oder einen elektrischen Isolator für einen an die elektrostatische Halteeinrichtung angeschlossenen Leiter.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Fluidleitung ferner umfasst: einen größeren Radius, der im Wesentlichen einen Verlauf der Fluidleitung durch den Sockel beschreibt, und einen kleineren Radius, der einen Verlauf des Segments beschreibt, wobei der größere Radius im Wesentlichen größer als der kleinere Radius ist.
Substratträgeranordnung nach einem Anspruch 1, ferner umfassend: einen zwischen benachbarten Teilen der Fluidleitung befindlichen Einsatz, der einen geringeren Wärmeleitkoeffizient als der Sockel aufweist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite Fluidleitung, die in dem Sockel in radialer Richtung innerhalb der Fluidleitung gebildet ist.
Substratträgeranordnung, umfassend: eine elektrostatische Halteeinrichtung mit einer zwischen einer substrattragenden Fläche und einer Bodenfläche befindlichen Halteelektrode, einen metallischen Sockel mit einer mit der Grundfläche der elektrostatischen Halteeinrichtung verbundenen oberen Fläche, wobei mindestens die elektrostatische Halteeinrichtung oder der Sockel einen Hohlraum aufweisen, und eine Fluidleitung in dem Sockel, die im Wesentlichen parallel zu der oberen Fläche angeordnet ist, wobei die Fluidleitung eine größere, an einem Mittelpunkt des Sockels ausgerichtete Krümmung und eine kleinere, an dem Durchlass ausgerichtete Krümmung hat.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 13, wobei die größere Krümmung einen im Wesentlichen größeren Radius als die kleinere Krümmung aufweist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 14, ferner umfassend: mit der elektrostatischen Halteeinrichtung verbundene und durch den Hohlraum verlaufende elektrische Leiter.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 15, ferner umfassend: mindestens einen rückseitigen Gaskanal, der in einer substrattragenden Fläche der elektrostatischen Halteeinrichtung gebildet ist und mit dem Hohlraum verbunden ist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 15, wobei der Hohlraum ferner umfasst: eines einer Mehrzahl von Hebestiftlöchern, die durch den Sockel und die elektrostatische Halteeinrichtung ausgebildet sind, wobei die Hebestiftlöcher in einer polaren Anordnung angeordnet sind.
Substratträgeranordnung, umfassend: eine keramische elektrostatische Halteeinrichtung mit mindestens einer zwischen einer substrattragenden Fläche und einer Bodenfläche befindlichen Halteelektrode, einen metallischen Sockel mit einer mit der Grundfläche der elektrostatischen Halteeinrichtung verbundenen Fläche, eine Mehrzahl von Hebestiftlöchern, die durch den Sockel und die elektrostatische Halteeinrichtung verlaufen, eine Fluidleitung, die in dem Sockel im allgemeinen spiralförmig ausgebildet ist, wobei die Fluidleitung einen Abschnitt nahe einem der Hebestiftlöcher aufweist, der eine an dem Hebestiftloch zentrierte Orientierung aufweist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 18, wobei der Abschnitt einen konstanten Radius aufweist.
Substratträgeranordnung nach Anspruch 18, wobei der Sockel mit der Halteeinrichtung verbunden ist.