DE60026996T2

DE60026996T2 - Plasmabehandlungsapparat, dessen elektrodenstruktur und struktur der bühne

Info

Publication number: DE60026996T2
Application number: DE60026996T
Authority: DE
Inventors: Mitsuaki Nakano-ku Komino; Yasuharu Tokyo Electron Miyagi Limit Tsukui-gun SASAKI; Kyo Tokyo Electron Miyagi Limited Tsukui-gun TSUBOI; Hideaki Tokyo Electron Miyagi Limite Tsukui-gun AMANO
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: WO2000079575A1; US7033444B1; JP2001068538A; DE60026996D1; KR100452649B1; EP1205964A4; EP1205964A1; TW483087B; KR20020022072A; EP1205964B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmabehandlungseinrichtung und insbesondere eine Elektrodenstruktur und eine Platziertischstruktur, die sich für die Plasmabehandlungseinrichtung eignen.
STAND DER TECHNIK
Bei einem Herstellungsprozeß eines integrierten Halbleiterschaltkreises werden verschiedene Prozeße, beispielsweise ein Filmablageprozeß, ein Ätzprozeß oder ein Oxidationsdiffusionsprozeß in Bezug auf einen Halbleiterwafer, der ein zu behandelndes Objekt darstellt, wiederholt durchgeführt. Bei derartigen Prozeßen, besteht in dem Fall, bei dem in dem Wafer kein Element oder keine Anordnung oder kein Teil vorhanden sind, die durch Hitze beschädigt werden, beispielsweise in dem Fall, bei dem auf einem bloßen Wafer ein Oxidationsfilm angebracht ist, kein Problem, wenn eine Hitzebehandlung bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird, beispielsweise bei 800°C bis 900°C. Wenn aber beispielsweise ein isolierender Zwischenfilm oder dergleichen gebildet ist, um ein Schaltkreiselement aus mehreren Schichten herzustellen, besteht das Problem, daß ein Schaltkreiselement oder eine Schaltkreisstruktur beschädigt werden, wenn ein Wafer auf eine hohe Temperatur von 800°C bis 900°C, wie oben erwähnt, erhitzt wird. Um ein solches Problem zu lösen, wird eine CVD (chemische Gasphasenabscheidung) durchgeführt, indem ein Plasma bei einer Temperatur in einem niedrigen Temperaturbereich verwendet wird, beispielsweise bei 300°C, was nicht so hoch ist.
1 veranschaulicht eine Struktur einer herkömmlichen Einrichtung, welche die oben erwähnte Plasma-CVD durchführt. Zunächst befindet sich eine untere Elektrodeneinheit 4, die auch als ein Platziertisch dient, in einer Prozeßkammer 2, in der ein Vakuum erzeugt werden kann. Eine Heizeinheit 6, wie beispielsweise ein Mantel-Heizer, ist in der unteren Elektrodeneinheit 4 in einem isolierten Zustand eingebettet. Insbesondere wird die oben erwähnte Heizeinheit 6 eingebettet, indem sie in ein Aluminiummaterial oder dergleichen gegossen ist. Darüber hinaus wird ein aus Keramik bestehendes elektrostatisches Futter 8 auf einer Oberseite der unteren Elektrodeneinheit 4, welche aus Aluminium besteht, bereitgestellt, indem es durch Löten und dergleichen angebracht wird, wobei das elektrostatische Futter durch Einbetten einer elektrostatischen Futterelektrode in ein Keramikmaterial geformt wird. Der Halbleiterwafer W wird durch eine elektrostatische Anziehungskraft auf dem elektrostatischen Futter 8 gehalten.
Darüber hinaus ist in einem unteren Abschnitt der oben erwähnten unteren Elektrodeneinheit 4 ein Kühlblock 12 mit einem darin enthaltenden Kühlmantel 10 bereitgestellt. Der Wafer W wird bei einer optimalen Temperatur gehalten, indem der oben erwähnte Kühlmantel 10 und die Heizeinheit 6 gesteuert werden.
Da zwischen der unteren Elektrodeneinheit 6 ein Wärmetransferraum 14 gebildet ist, bei dem es sich um einen kleinen Spalt handelt, was die Wärmetransfereffizienz verringert, wird versucht, die Effizienz des Wärmetransfers zu verbessern, indem der Wärmetransferraum durch ein Abdichtungselement 16, wie beispielsweise einen O-Ring, abgedichtet und ein Wärmetransfergas eingeführt wird, bei dem es sich um ein inertes Gas, wie Argon, Helium oder Stickstoff, handelt.
Darüber hinaus wird an der Decke der Prozeßkammer 2 eine obere Elektrodeneinheit 18 bereitgestellt, wobei die obere Elektrodeneinheit so positioniert ist, daß sie der oben erwähnten unteren Elektrodeneinheit 4 gegenüber liegt. Eine Heizeinheit 20, wie beispielsweise ein Mantel-Heizer, ist ebenfalls in der oberen Elektrodeneinheit 18 eingebettet, indem sie in ein Aluminiummaterial oder dergleichen gegossen ist. Darüber hinaus ist eine Hochfrequenzquelle 22 mit der oberen Elektrodeneinheit 18 verbunden, um eine Hochfrequenzspannung zum Erzeugen eines Plasmas anzulegen, und ein vorbestimmter Prozeß wird auf den Wafer W angewandt, indem zwischen der oberen Elektrodeneinheit 18 und der unteren Elektrodeneinheit 4 ein Plasma erzeugt wird.
In einem Fall, bei dem eine Prozeßtemperatur des Halbleiterwafers relativ niedrig ist, beispielsweise, wenn die Prozeßtemperatur niedriger als etwa 200°C ist, ist ein Einfluss der Prozeßtemperatur auf ein in der Prozeßkammer 2 bereitgestelltes Element nicht groß. Um jedoch beispielsweise die Filmabscheidungsrate zu erhöhen oder die Filmqualität in einem Filmabscheidungsprozeß zu verbessern, gibt es den Fall, bei dem die Prozeßtemperatur auf eine Temperatur über 200°C erhöht wird, das heißt, auf eine Temperatur im Bereich von 350°C bis 500°C, in dem ein Element oder eine Konstruktion in einer unteren Schicht nicht beschädigt werden.
In einem solch hohen Temperaturbereich besteht das Problem, daß ein eingeschlossenes Gas aufgrund der Verschlechterung der Abdichtungseigenschaften des Abdichtungselementes 16, wie beispielsweise eines O-Rings, der den Wärmetransferraum 14 abdichtet, aufgrund einer thermischen Verschlechterung austritt. Wenn sich die Abdichtungseigenschaft des Abdichtungselementes 16 verschlechtert, strömt das inerte Gas, das in dem Wärmetransferraum 14 eingeschlossen ist, nach außen, was zu einer Verschlechterung der Effizienz des Wärmetransfers führt. Als Ergebnis kann die Genauigkeit der Steuerung der Temperatur des Wafers W verringert sein oder ein Filmabscheidungsgas in der Prozeßkammer 2 kann durch das Wärmetransfergas verdünnt werden, beispielsweise in einem Filmabscheidungsprozeß. Um ein solches Problem zu verhindern, muß eine Flußrate des Filmabscheidungsgases um mehr als um ein stöchiometrisches Verhältnis erhöht werden, und daher besteht das Problem, daß sich der Verbrauch des Filmabscheidungsgases erhöht.
Da außerdem kein Drucksensor in dem Wärmetransferraum 14 bereitgestellt werden kann, der auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, wird der Druck der Wärmetransfergasversorgung zum Wärmetransferraum 14 von einer Versorgungsquelle überwacht, um den Versorgungsdruck so zu steuern, daß er angemessen ist. In einer solchen Struktur wird der Druck in dem zu steuernden Bereich nicht direkt erfasst, sodaß die Steuerbarkeit des Gasdrucks zwangsläufig schlechter wird.
US 5,382,311 beschreibt eine Plasma-Ätzeinrichtung, welche eine Stufe umfaßt, die aus einem Suszeptor, einem Heizerfixierungsrahmen und einem Kühlblock besteht. Zwischen dem Suszeptor und dem Heizerfixierungsrahmen und dem Heizerfixierungsrahmen und dem Kühl-block bilden sich Spalte.
EP 0 467 390 A1 beschreibt einen Trägertisch für einen Wafer, der ein erstes Element zum Anpassen der Temperatur und ein zweites Element zum Tragen des Wafers umfaßt. Zwischen beiden Elementen befindet sich ein Gasversorgungsmechanismus.
JP 06 053 207 beschreibt eine Plasmabehandlungseinrichtung einschließlich einer Waferbühne, welche einen Suszeptor, einen Kühlblock und ein Zwischenelement umfaßt. Zwischen dem Element und dem Suszeptor befindet sich ein Spalt.
Keines dieser Dokumente beschreibt einen labyrinthähnlichen Wärmetransferraum, der von einer konzentrischen oder spiralförmigen Nut gebildet ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß der vorliegende Erfinder in der japanischen offen gelegten Patentanmeldung Nr. 6232082 eine Abdichtungsstruktur zum Durchführen eines Prozeßes in einem Niedrigtemperaturzustand vorgeschlagen hat, bei der es sich um eine Abdichtungsstruktur in einer Umgebung mit ultraniedriger Temperatur handelt, beispielsweise eine Kühlvorrichtung, welche Kühlung durch flüssigen Stickstoff durchführt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrodenstruktur bereitgestellt, die in einer Plasmabehandlungseinrichtung verwendet wird, die einen vorgegebenen Prozeß an einem Objekt durchführt, welches mithilfe eines Plasmas in einer Prozeßkammer, in der ein Vakuum gebildet werden kann, zu behandeln ist, wobei die Elektrodenstruktur dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: Eine Elektrodeneinheit, die eine Heizeinheit darin aufweist; einen Kühlblock, der mit der Elektrodeneinheit verbunden ist und einen Kühlmantel aufweist, welcher die Elektrodeneinheit kühlt, einen Wärmetransfer-Labyrinthraum, der von einer konzentrischen oder spiralförmigen Nut gebildet ist, welche auf wenigstens einer der gegenüber liegenden Oberflächen der Elektrodeneinheit und des Kühlblocks bereitgestellt ist, und ein elektrodenseitiges Wärmetransfergas-Versorgungsmittel zum Versorgen des Wärmetransfer-Labyrinthraumes mit einem Wärmetransfergas.
Wie oben erwähnt kann durch Bereitstellen des Wärmetransfer-Labyrinthraumes zwischen den verbundenen Oberflächen der Elektrodeneinheit und des Kühlblocks ein hoher Abdichtungseffekt für den zwischen der Elektrodeneinheit und dem Kühlblock gebildeten Wärmetransferraum in einem hohen Temperaturbereich aufrechterhalten werden, beispielsweise bei einer Temperatur über 200°C und beispielsweise in einem Bereich von 350°C bis 500°C.
Darüber hinaus kann zwischen der Elektrodeneinheit und dem Kühlblock ein Isolierelement bereitgestellt werden, und der Wärmetransferraum kann durch das Isolierelement in einen oberen Raum und einen unteren Raum geteilt werden. In einem solchen Fall kann in einem hohen Temperaturbereich ein starker Abdichtungseffekt beibehalten werden, da sowohl der obere Raum als auch der untere Raum durch das Wärmetransfer-Metallabdichtungselement abgedichtet werden.
Das Isolierelement kann aus einem Material bestehen, das einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von größer als 800 W/mK aufweist. Entsprechend kann der Wölbungsgrad des Isolierelementes unterdrückt werden. Als Ergebnis berührt das Isolierelement gleichmäßig ein zu berührendes Element, wodurch eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in einer Oberfläche des zu behandelnden Objektes ermöglicht wird. Das Isolierelement kann aus Aluminiumnitrid (ALN) bestehen.
Darüber hinaus kann eine Kontaktrate von miteinander verbundenen Oberflächen von Elementen, die verbunden sind, um den Wärmetransferraum zu definieren, eingestellt werden, um in einen Bereich von 40% bis 80% zu fallen. Entsprechend kann die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in einer Oberfläche des zu behandelnden Objektes weiter verbessert werden, da das Wärmetransfergas im Wesentlichen gleichmäßig in der Oberfläche strömen kann, ohne die Hitzebeständigkeit zu sehr zu erhöhen.
Darüber hinaus kann die Oberflächenrauhigkeit Ra eines Elementes, das den Wärmetransferraum definiert, kleiner als 2,0 μm eingestellt sein. Die thermische Leitfähigkeit kann verbessert werden, indem die Oberflächenrauhigkeit des Elementes, das den Wärmetransferraum definiert, derart gesteuert wird, daß sie kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Darüber hinaus kann einer Verbesserung der Steuerbarkeit der Temperatur des zu behandelnden Objektes erreicht werden.
Die Heizeinheit kann in konzentrische Zonen aufgeteilt sein, und die aufgeteilten Zonen können individuell steuerbar sein.
Bei der Elektrodeneinheit kann es sich um eine obere Elektrodeneinheit handeln, die oberhalb des zu behandelnden Objektes positioniert ist.
Darüber hinaus kann es sich bei Elektrodeneinheit um eine untere Elektrodeneinheit handeln, die auch als ein Platziertisch dient, auf dem das zu behandelnde Objekt platziert wird, und die Elektrodenstruktur kann des Weiteren ein elektrostatisches Futter umfassen, welches mit einer Oberseite der unteren Elektrodeneinheit derart verbunden ist, daß es das zu behandelnde Objekt anzieht, und ein futterseitiges Wärmetransfergas-Versorgungsmittel zum Zuführen eines Wärmetransfergases in einen futterseitigen Wärmetransferraum umfassen, der zwischen dem elektrostatischen Futter und dem zu behandelnden Objekt ausgebildet ist.
Darüber hinaus kann mindestens einer von dem elektrodenseitigen Wärmetransferraum, dem Wärmetransfer-Labyrinthraum und dem futterseitigen Wärmetransferraum mit einem hitzebeständigen Drucksensor versehen sein, und die Gasmenge, die von dem entsprechenden Wärmetransfergas-Versorgungselement zugeführt wird, kann basierend auf der Ausgabe des hitzebeständigen Drucksensors gesteuert werden. Demgemäß kann die Steuerbarkeit des Gasdrucks verbessert werden, da der Gasdruck in dem zu steuernden Raum von dem hitzebeständigen Drucksensor gemessen wird.
Darüber hinaus kann die Mitte der Elektrodeneinheit von einer Hohlsäule gehalten werden, und in der Säule kann eine Gasgebläseeinrichtung zum Fördern der Wärmeabfuhr durch Blasen des Gases in Richtung auf die Mitte der Rückseite der Elektrodeneinheit bereitgestellt sein. Demgemäß kann die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in der Oberfläche des zu behandelnden Objektes verbessert werden, da eine Wärmeabfuhr von dem Mittelabschnitt des Platziertisches, wo tendenziell eine höhere Temperatur vorliegt, gefördert wird.
Darüber hinaus kann die Mitte der Elektrodeneinheit von einer Säule gehalten werden, und die Säule kann durch ein wärmeleitfähiges Element mit dem Kühlblock verbunden sein. Auch in diesem Fall kann die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in der Oberfläche des zu behandelnden Objektes verbessert werden, da eine Wärmeabfuhr von dem Mittelabschnitt des Platziertisches gefördert werden kann.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Platziertischstruktur bereitgestellt, die für eine Behandlungseinrichtung verwendet wird, welche an einem zu behandelnden Objekt in einer Prozeßkammer, in der ein Vakuum gebildet werden kann, einen vorgegebenen Prozeß durchführt, wobei die Platziertischstruktur dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: einen Platziertisch, der eine Heizeinheit darin aufweist, um das zu behandelnde Objekt zu beheizen, einen Kühlblock, der mit dem Platziertisch verbunden ist und einen Kühlmantel aufweist, welcher den Platziertisch kühlt, einen Wärmetransfer-Labyrinthraum, der von einer konzentrischen oder spiralförmigen Nut gebildet ist, welche auf wenigstens einer der gegenüber liegenden Oberflächen des Platziertisches und des Kühlblocks bereitgestellt ist, und ein Wärmetransfergas-Versorgungsmittel zum Versorgen des Wärmetransfer-Labyrinthraumes mit einem Wärmetransfergas.
Indem der Wärmetransfer-Labyrinthraum zwischen den sich berührenden Oberflächen des Platziertisches und des Kühlblocks bereitgestellt wird, läßt sich entsprechend die Abdichtungseigenschaft des Wärmetransferraumes, der zwischen dem Platziertisch und dem Kühlblock gebildet ist, selbst in einem hohen Temperaturbereich hoch halten, beispielsweise bei 350°C bis 500°C, was höher als 200°C ist.
Darüber hinaus wird in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Plasmabehandlungseinrichtung bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: eine Behandlungskammer, in der ein Vakuum gebildet werden kann, eine Elektrodenstruktur nach der oben erwähnten vorliegenden Erfindung und eine Hochfrequenzquelle, die an die Elektrodenstruktur eine Hochfrequenzspannung anlegt. Darüber hinaus ist in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Behandlungseinrichtung bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: eine Prozeßkammer, in der ein Vakuum gebildet werden kann, und eine Platziertischstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Strukturansicht einer herkömmlichen CVD-Plasmabehandlungseinrichtung.
2 ist eine Strukturansicht einer Plasmabehandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
3A bis 3E sind Querschnittansichten von hitzebeständigen Metallabdichtungselementen, die keinen Teil der Erfindung bilden.
4 ist eine Ansicht, welche ein Wärmetransfergasversorgungssystem einer Ausführung einer Elektrodenstruktur (Seite der unteren Elektrodeneinheit) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Ansicht einer Struktur eines hitzebeständigen Drucksensors.
6 ist eine Veranschaulichung, welche ein Wärmetransfergasversorgungssystem einer Ausführung einer Elektrodenstruktur (Seite der oberen Elektrodeneinheit) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Veranschaulichung, welche eine Wölbung erklärt, die von einem Temperaturunterschied eines Isolierelementes verursacht wurde.
8 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen dem Koeffizient der thermalen Leitfähigkeit und dem Wölbungsgrad zeigt.
9A bis 9D sind Ansichten zur Erklärung einer Kontaktrate, wenn Gasnuten mit verschiedenen Breiten auf einer Kontaktfläche eines Elementes bereitgestellt sind.
10 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen Kontaktrate und Hitzebeständigkeit sowie Dispersion in einer Temperaturverteilung zeigt.
11 ist eine Veranschaulichung eines Wärmetransferraumes, der zwischen der Unterseite einer unteren Elektrodeneinheit und der Oberseite einer oberen Elektrodeneinheit gebildet ist.
12 ist eine Veranschaulichung der in 2 gezeigten Elektrodenstruktur.
13 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauhigkeit Ra des Isolierelementes und Hitzebeständigkeit zeigt.
14 ist eine Veranschaulichung der Unterseite einer hochglanzpolierten Elektrodeneinheit und der Oberseite des Isolierelementes.
15A ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem ein Weichmetallfilm auf der Oberfläche des hitzebeständigen Abdichtungselementes gebildet ist, und 15B ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem der Weichmetallfilm in dem in 15A gezeigten Zustand erweicht ist.
16A ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem ein Weichmetallfilm auf der Oberfläche des Elementes gebildet ist, welches das hitzebeständige Abdichtungselement berührt, und 16B ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem der Weichmetallfilm in dem in 16A gezeigten Zustand erweicht ist.
11A und 11B sind Ansichten, welche einen Zustand zeigen, in dem ein Fluoridpassivierungsfilm auf der Oberfläche des hitzebeständigen Abdichtungselementes gebildet ist.
18 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem ein Gasgebläsemittel für eine Trägersäule bereitgestellt ist.
19 ist ein Schaubild, welches eine Temperaturverteilung in einer Oberfläche eines Halbleiterwafers zeigt.
20 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem eine Säule und ein Kühlblock durch ein wärmeleitfähiges Element miteinander verbunden sind.
21 ist eine Draufsicht einer Variante einer Nut der unteren Elektrodeneinheit.
22A und 22B sind vergrößerte Querschnitte, die einen Wärmetransfer-Labyrinthraum zeigen.
23 ist eine Ansicht, die eine Variante einer Heizeinheit zeigen.
24 ist eine Strukturansicht einer thermischen CVD-Plasmabehandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Unten ist mit Bezug auf die Zeichnungen eine Beschreibung einer Plasmabehandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gegeben.
2 ist eine Strukturansicht einer Plasmabehandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. 3A bis 3E sind Querschnittansichten von hitzebeständigen Metallabdichtungselementen. 4 ist eine Ansicht, welche ein Wärmetransfergasversorgungssystem der Ausführung einer Elektrodenstruktur (Seite der unteren Elektrodeneinheit) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. 5 ist eine Ansicht einer Struktur eines hitzebeständigen Drucksensors. 6 ist eine Veranschaulichung, welche ein Wärmetransfergasversorgungssystem der Ausführung der Elektrodenstruktur (Seite der oberen Elektrodeneinheit) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in den Figuren gezeigt, weist die Plasmabehandlungseinrichtung 24 beispielsweise eine aus Aluminium hergestellte zylinderförmige Prozeßkammer 26 auf. Auf der Unterseite der Prozeßkammer ist eine unteren Elektrodenstruktur 28 bereitgestellt, die auch als ein Platziertisch dient, auf dem ein Halbleiterwafer W als ein zu behandelnden Objekt platziert wird. Auf einem Deckenteil der Prozeßkammer 24 ist eine obere Elektrodenstruktur 30 bereitgestellt.
Auf der Seite der Prozeßkammer 26 sind ein Torventil 32, das sich öffnet und schließt, wenn der Halbleiterwafer in die Prozeßkammer 26 oder aus der Prozeßkammer 26 transportiert wird, und eine Gasdüse zum Einführen verschiedener Gase aus Prozeßgasen wie Silan oder Sauerstoff, bereitgestellt. Anstelle der Gasdüse 34 kann ein Duschkopf aus Quarz auf einer Unterseite der oberen Elektrodenstruktur 30 bereitgestellt sein.
Auf der unteren Seitenwand der Prozeßkammer 26 befindet sich eine Abgasöffnung 36, der mit einem Vakuumabgassystem einschließlich einer Vakuumpumpe verbunden ist, welches nicht in den Figuren gezeigt ist, sodaß in der Prozeßkammer 26 ein Vakuum gebildet werden kann.
Die oben erwähnte untere Elektrodenstruktur 28 umfaßt: eine untere Elektrodeneinheit 38, die auch als ein Platziertisch dient, einen Kühlblock 40, der unterhalb der unteren Elektrodeneinheit 38 positioniert ist, und ein unteres Isolierelement 42, das die untere Elektrodeneinheit 38 und den Kühlblock 40 voneinander isoliert, indem es dazwischen eingeführt ist. Insbesondere ist die oben erwähnte Elektrodeneinheit 38 aus Aluminium hergestellt. Ein Mantel-Heizer (sheath heater) (heizender Heizer) 44, der in einer Spiralform oder einer konzentrischen Form gewunden ist, ist in der unteren Elektrodeneinheit 38 eingebettet, indem er dort hinein gegossen wird, sodaß der Wafer W erhitzt werden kann. Darüber hinaus ist ein aus Keramik hergestelltes elektrostatisches Futter 46, in das eine Futterelektrode eingebettet ist, mit einer Oberseite der unteren Elektrodeneinheit 38 durch Löten oder dergleichen verbunden. Der Wafer W, bei dem es sich um ein zu behandelnden Objekt handelt, wird von dem elektrostatischen Futter 46 angezogen und darauf gehalten. Eine Säule 48, welche unterhalb der unteren Elektrodeneinheit 38 verläuft, verläuft durch den Boden 50 der Kammer. Ein Anpassungsschaltkreis 54 und eine Hochfrequenzquelle 56 zum Anlegen einer Vorspannung sind mit der Säule 48 über eine Anschlußleitung 52 verbunden. An der Säule ist ein Hebemechanismus (nicht in den Figuren gezeigt) befestigt, um die Säule 48 nach oben und unten zu bewegen.
Wie die oben erwähnte untere Elektrodeneinheit 38 ist der Kühlblock 40 aus Aluminium hergestellt, und in dem Kühlblock 40 ist ein hohler, ring-ähnlicher Kühlmantel 58 ausgebildet, damit ein Kühlmittel hindurch fließen kann. Der Wafer W wird über die oben erwähnte untere Elektrodeneinheit 38 gekühlt, indem ein Kühlmittel durch den Kühlmantel 58 strömt. Die Wafertemperatur wird praktischerweise durch selektives oder simultanes Antreiben des Kühlmantels 58 und der Heizeinheit 44 auf einen geeigneten Wert gesteuert. Die untere Oberfläche des Kühlblocks 40 und der Boden 50 der Kammer sind durch einen erweiterbaren Balgen 60 verbunden, damit eine Auf- und Abwärtsbewegung in Bezug auf die untere Elektrodenstruktur 28 möglich ist, während die Luftdichtigkeit der Prozeßkammer 26 erhalten bleibt.
Darüber hinaus besteht ein unteres Isolierelement 42, das sich zwischen der unteren Elektrodeneinheit 38 und dem Kühlblock 40 befindet, aus einem ringähnlichen Quarzglas mit einer Dicke von etwa 20 mm. Das untere Isolierelement 42 bedeckt einen Umkreis der Säule 48, der sich von der oben erwähnten unteren Elektrodeneinheit 38 erstreckt, um auch die Säule 48 zu isolieren.
Die untere Elektrode 38 und das untere Isolierelement 42 sind in einer auf- und abwärts gerichteten Anordnung verbunden, und das untere Isolierelement 42 und der Kühlblock 42 sind ebenfalls in einer auf- und abwärts gerichteten Anordnung verbunden. Zwischen diesen Elementen sind jeweils ein oberer elektrodenseitiger Wärmetransferraum (oberer Raum) 62 und ein unterer elektrodenseitiger Wärmetransferraum (unterer Raum) 64 ausgebildet, von denen ein jeder einen kleinen Spaltraum aufweist. Das Vorhandensein dieser Wärmetransferräume 62 und 64 verringert die Wärmetransfereffizienz in einer senkrechten Richtung, weil beide Wärmetransferräume auf einen Vakuumzustand eingestellt sind, da beide Wärmetransferräume 62 und 64 mit der Prozeßkammer 26 kommunizieren. Entsprechend sind die ringähnlichen hitzebeständigen Metallabdichtungselemente 66A, 66B, 68A und 68B zwischen den Wärmetransferräumen 62 und 64 jeweils in einer inneren Seite und einer äußeren Seite angelegt, um die Abdichtungseigenschaften beider Wärmetransferräume 62 und 64 hoch zu halten. Da ein leichtes Austreten des Gases nicht vermieden werden kann, selbst wenn die Abdichtungseigenschaften beider Wärmetransferräume 62 und 64 hoch gehalten werden, sind darüber hinaus die Gasversorgungsleitungen 70 und 72 respektive mit den Wärmetransferräumen 62 und 64 verbunden, sodaß sie mit einem druckgesteuerten Wärmetransfergas, umfassend ein inertes Gas wie Ar, He oder N₂, versorgt werden können.
Darüber hinaus sind aus dem gleichen Grund wie oben erwähnt, zwei Gasversorgungsleitungen 76 und 78 für den futterseitigen Wärmetransferraum 74 bereitgestellt, der sich zwischen der Oberseite des elektrostatischen Futters 46 und der Rückseitenoberfläche des Wafers W befindet, um die Effizienz des Wärmetransfers von der unteren Elektrodeneinheit 38 und dem elektrostatischen Futter 46 zu dem Wafer W während der Plasmabehandlung zu erhöhen. In diesem Fall wird die Gasversorgungsleitung 76 verwendet, um den mittleren Abschnitt des elektrostatischen Futters 46 mit dem Gas zu versorgen, da die Gasdiffusionsrate in dem futterseitigen Wärmetransferraum 74 klein ist, und die Gasversorgungsleitung 78 wird verwendet, um einen peripheren Abschnitt des elektrostatischen Futters 46 mit dem Gas zu versorgen. Die Art und Weise des Versorgens des futterseitigen Wärmetransferraumes 74 mit Gas ist nicht auf die hier beschriebene beschränkt.
Es folgt nun eine Beschreibung einer Struktur eines jeden der hitzebeständigen Metallabdichtungselemente 66A, 66B, 68A und 68B unter Bezugnahme auf 3A bis 3E. Da jedes der hitzebeständigen Metallabdichtungselemente 66A, 66B, 68A und 68B gleich ist, wird das Abdichtungselement 66A als ein Beispiel erläutert.
Das in 3A gezeigte hitzebeständige Metallabdichtungselement 66A wird gebildet, indem ein dünner hitzebeständiger Metallfilm 79 mit einer ringähnlichen Form und einem runden Querschnitt gebildet wird, wobei der hitzebeständige Metallfilm aus einem Metall wie beispielsweise rostfreiem Edelstahl, Inconel (Handelsname) oder Hastelloy (Handelsname) mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 1,0 mm gebildet ist. Der Durchmesser des Querschnitts ist etwa 3 mm bis 4 mm, um eine Elastizität gegen eine Druckkraft bereit zu stellen.
Bei dem in 3B gezeigten hitzebeständigen Metallabdichtungselement 66A-1 handelt es sich um den in 3B gezeigten hitzebeständigen Metallfilm 79, der mit einem Schlitz 80 auf einer im Querschnitt davon betrachteten Seitenoberfläche versehen ist. Der Schlitz ist so geformt, daß er in einer umlaufenden Richtung um das ringähnliche Abdichtungselement 66A-1 verläuft, um dem Abdichtungselement 66A-1 Elastizität zu verleihen.
Das in 3C gezeigte hitzebeständige Metallabdichtungselement 66A-2 wird gebildet, indem ein spiralähnliches oder plattenähnliches Federelement 82, das aus rostfreiem Federstahl oder dergleichen gebildet ist, in einen inneren Raum des in 3B gezeigten hitzebeständigen Metallfilms 79 eingeführt wird. Die Abdichtungseigenschaft wird verbessert, indem die Federkraft des Federelementes 82 verbessert wird, wenn darauf gedrückt wird.
Das in 3D gezeigte hitzebeständige Metallabdichtungselement 66A-3 verbessert die Nachverfolgbarkeit einer Oberfläche, indem es ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt 84 auf das Innere des hitzebeständigen Metallfilms 79 mit rundem Querschnitt, gezeigt in 3A, beschränkt, wobei das Material mit niedrigem Schmelzpunkt bei einer Temperatur unter einer Prozeßtemperatur schmilzt. Als Material mit niedrigem Schmelzpunkt 84 können Indium, das einen Schmelzpunkt von etwa 156,4°C aufweist, oder ein Lötmetall, das einen Schmelzpunkt von etwa 150°C aufweist, verwendet werden. In einem solchen Fall wird der Metallfilm 79 sehr dünn gemacht, beispielsweise hat er eine Dicke im Bereich von 1,0 μm bis 500 μm, womit der Nachverfolgbarkeit mehr Bedeutung zukommt als der Elastizität.
Das in 3E gezeigte hitzebeständige Metallabdichtungselement 66A-4 entspricht dem hitzebeständigen Metallfilm 79, der einen mit dem Schlitz 80 ausgestatteten Querschnitt aufweist, wie in 3B gezeigt, des Weiteren ausgestattet mit einem nach innen gekrümmten Abschnitt, um die Abdichtungseigenschaft durch Erhöhen der Elastizität zu verbessern. Jede der oben erwähnten Strukturen eignet sich für die hitzebeständigen Metallabdichtungselemente 66A bis 68B.
Es folgt nun eine Beschreibung des Versorgungssystems des Wärmetransfergases zu den elektrodenseitigen Wärmetransferräumen 62 und 64 und dem futterseitigen Wärmetransferraum 74 unter Bezugnahme auf 4. Wie in 4 gezeigt, ist jede der Gasversorgungsleitungen 70, 72, 76 und 78, die mit den jeweiligen elektrodenseitigen Wärmetransferräumen 62 und 64 und dem futterseitigen Wärmetransferraum 74 verbunden sind, mit jeweils einer der Strömungssteuerungsvorrichtungen 88A bis 88D als Masseströmungs-Steuereinheit ausgestattet. Jede der Gasversorgungsleitungen 70, 72, 76 und 78 ist mit Ar-Gasquellen 90 und 92 verbunden, die Quellen des Wärmetransfergases sind, welche das elektrodenseitige Wärmetransfergas-Versorgungsmittel 94 und das futterseitige Wärmetransfergas-Versorgungsmittel 96 darstellen. Bei den Gasquellen 90 und 92 kann es sich um eine übliche Gasquelle handeln.
Jede der Strömungssteuerungsvorrichtungen 88A bis 88D wird von einer Steuereinheit 100 basierend auf einem Messwert der hitzebeständigen Drucksensoren 98 bis 98D gesteuert, mit denen die jeweiligen Wärmetransferräume 62, 64 und 74 ausgestattet sind. Insbesondere sind die oben erwähnten hitzebeständigen Drucksensoren 98A bis 98D in der Nachbarschaft der entsprechenden Gasausgangsöffnungen 70A, 72A, 76A und 78A der Gasversorgungsleitungen 70, 72, 76 und 78 bereitgestellt, um einen Druck in den jeweiligen Räumen festzustellen. Bei 66C bis 66G in 4 handelt es sich um hitzebeständige Metallabdichtungselemente, welche dieselbe Struktur wie die oben erwähnten Strukturen, welche jede Gasversorgungsleitung abdichten, aufweisen. Jeder der oben erwähnten hitzebeständigen Drucksensoren 98A bis 98D hat dieselbe Struktur, und es wird unter Bezugnahme auf 5 eine Struktur des Sensors 98A als ein Beispiel beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, ist auf der Oberfläche des unteren Isolierelementes 42 ein konkaver Abschnitt 102 als Basis zum Befestigen des hitzebeständigen Drucksensors 98A ausgebildet. Die Öffnung des konkaven Abschnittes 102 ist von einer Basisplatte 104 bedeckt, welche aus einer biegsamen Keramikplatte oder einer Metallplatte hergestellt ist, und die Basisplatte 104 ist durch ein Hartlötmaterial 106 oder dergleichen luftdicht verbunden. Nun wird das Innere des konkaven Abschnittes 102 auf einen vorgegebenen Druck eingestellt (beispielsweise über einem atmosphärischen Druck). In einem isolierten Zustand in Bezug auf die Basisplatte 104 (wenn die Basis aus einem Metall hergestellt ist) ist auf der Oberfläche der Basisplatte 104 eine Widerstandsstruktur 108 ausgebildet, die aus einer Legierung hergestellt ist, welche Nickel und Chrom umfaßt, und die Widerstandsstruktur 108 ist dehnbar, um eine Änderung des Widerstandes zu erzeugen, indem eine Biegedeformation der Basisplatte 104 nachverfolgt wird (angezeigt durch eine Strichpunktlinie in der Figur). Die kleine Veränderung des Widerstands wird von der Steuereinheit 100 über ein Leitungskabel 110 elektrisch festgestellt. Die kleine Veränderung des Widerstandes kann festgestellt werden, indem beispielsweise eine Wheatstone-Brückenschaltung verwendet wird. In diesem Fall ist die Steuereinheit mit einem Temperaturausgleichsschaltkreis (nicht in der Figur gezeigt) ausgestattet, um die Änderung des Widerstandes der Widerstandsstruktur 108 aufzuheben, welche in Verbindung mit einer Temperaturänderung erzeugt wird. Darüber hinaus ist die Struktur des hitzebeständigen Drucksensors 98A nicht auf die oben erwähnte Struktur beschränkt, wenn der hitzebeständige Drucksensor der Prozeßtemperatur der Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung standhalten kann.
Wiederum in Bezugnahme auf 2 folgt nun eine Beschreibung der oberen Elektrodenstruktur 30. Die Grundstruktur der oberen Elektrodenstruktur 30 entspricht der der unteren Elektrodenstruktur 28. Das heißt, daß die obere Elektrodenstruktur 30 Folgendes umfaßt: eine obere Elektrodeneinheit 110, einen Kühlblock 112, der oberhalb der oberen Elektrodeneinheit 110 positioniert ist, und ein oberes Isolierelement 114, welches die obere Elektrodeneinheit 110 und den Kühlblock 112 voneinander elektrisch isoliert, indem es dazwischen eingefügt ist. Insbesondere ist die oben erwähnte obere Elektrodeneinheit 110 aus Aluminium hergestellt.
In die obere Elektrodeneinheit 110 ist eine Heizeinheit 116 eingebettet, welche in einer Spiralform oder einer konzentrischen Form gewunden ist, ähnlich wie die Heizeinheit 44 in der oben erwähnten unteren Elektrodeneinheit 38. Eine Säule 118, die oberhalb der oberen Elektrodeneinheit 114 verläuft, verläuft durch die Decke der Kammer. Über eine Anschlußleitung 120 sind ein passender Schaltkreis 112 und eine Hochfrequenzquelle 124 zum Anlegen einer Vorspannung mit der Säule 118 verbunden, um in dem Prozeßraum ein Plasma zu erzeugen.
Wie die untere Elektrodeneinheit 38 ist der Kühlblock 112 aus Aluminium hergestellt. In dem Kühlblock 112 ist ein hohler, ring-ähnlicher Kühlmantel 126 ausgebildet, damit ein Kühlmittel hindurch fließen kann. Der oben erwähnte Kühlmantel 126 wird bei einer konstanten Temperatur gehalten, beispielsweise bei einer Temperatur, die der Temperatur der unteren Elektrodeneinheit 38 entspricht, indem ein Kühlmittel durch den Kühlmantel 126 strömt. Die Temperatur der oberen Elektrodeneinheit wird praktischerweise durch selektives oder simultanes Ansteuern des Kühlmantels 126 und der Heizeinheit 116 auf einen geeigneten Wert gesteuert. Der Grund für die Temperatursteuerung der oberen Elektrodeneinheit 110 ist, daß wenn die Temperatur der Elektrode auf eine Temperatur erhöht wird, die höher als die des Wafers W oder der unteren Elektrodeneinheit 38 ist, dazwischen eine Wärmeabstrahlung erzeugt wird, was zu einer Wärmefluktuation führen kann.
Darüber hinaus besteht ein oberes Isolierelement 114, das sich zwischen der oberen Elektrodeneinheit 110 und dem Kühlblock 112 befindet, aus einem ringähnlichen Quarzglas mit einer Dicke von etwa 20 mm. Das obere Isolierelement 114 bedeckt einen Umkreis der Säule 118, der von der oben erwähnten oberen Elektrodeneinheit 110 verläuft, um auch die Säule 118 zu isolieren.
Die obere Elektrodeneinheit 110 und das obere Isolierelement 114 sind in einer auf- und abwärts gerichteten Anordnung verbunden, und das obere Isolierelement 114 und der Kühlblock 112 sind ebenfalls in einer auf- und abwärts gerichteten Anordnung verbunden. Zwischen diesen Elementen sind jeweils ein oberer elektrodenseitiger Wärmetransferraum (oberer Raum) 128 und ein unterer elektrodenseitiger Wärmetransferraum (unterer Raum) 130 ausgebildet, von denen ein jeder einen kleinen Spaltraum aufweist. Entsprechend sind, wie im Fall der unteren Elektrodenstruktur 28, ringähnliche hitzebeständige Metallabdichtungselemente 132A, 132B, 134A und 134B zwischen den Wärmetransferräumen 128 und 130 jeweils in einer inneren Seite und einer äußeren Seite angelegt, um die Abdichtungseigenschaften beider Wärmetransferräume 128 und 130 hoch zu halten. Darüber hinaus sind die Gasversorgungsleitungen 136 und 138 respektive mit den Wärmetransferräumen 128 und 130 verbunden, sodaß sie mit einem druckgesteuerten Wärmetransfergas, umfassend ein inertes Gas wie Ar, He oder N₂, versorgt werden können. Wie in 6 gezeigt, sind die Gasversorgungsleitungen 136 und 138, die mit den jeweiligen elektrodenseitigen Wärmetransferräumen 128 und 130 verbunden sind, respektive mit folgenden Steuervorrichtungen 88E und 88F, beispielsweise Masseströmungs-Steuereinheiten, ausgestattet, um elektrodenseitige Wärmetransfergas-Versorgungsmittel 142 darstellen.
Die Strömungssteuerungsvorrichtungen 88E und 88F werden von einer Steuereinheit 144 basierend auf dem Messwert der hitzebeständigen Drucksensoren 98E bis 98F gesteuert, mit denen die jeweiligen Wärmetransferräume 128 und 130 ausgestattet sind. Auch die oben erwähnte Steuereinheit 100 kann als Steuereinheit 144 dienen. Insbesondere sind die oben erwähnten hitzebeständigen Drucksensoren 98E bis 98F in der Nachbarschaft der entsprechenden Gasausgangsöffnungen 136A und 138A der Gasversorgungsleitungen 136 und 138 bereitgestellt, um den Druck in den jeweiligen Räumen festzustellen. Die Struktur eines jeden der Sensoren 98E und 98F ist die gleiche, wie die in Bezug auf 5 beschriebene.
Es folgt nun eine Beschreibung des Betriebs der so strukturierten Plasmabehandlungseinrichtung.
Zunächst wird der Halbleiterwafer W in einem Zustand, in dem die untere Elektrodenstruktur 28 nach unten auf eine vorgegebene Position für den Transport bewegt ist, durch das geöffnete Torventil 32 in die Prozeßkammer 26 transportiert. Dann wird der Wafer W auf die obere Oberfläche der vorerhitzten unteren Elektrodeneinheit 38 platziert, die als Platziertisch dient, sodaß der Wafer W von dem elektrostatischen Futter 46 angezogen und gehalten wird. Die untere Elektrodeneinheit 38 und die obere Elektrodeneinheit 110 sind auf eine Temperatur vorerhitzt, die im Bereich von 350°C bis 500°C liegt, um den Durchsatz zu erhöhen.
In diesem Zustand wird die untere Elektrodenstruktur auf eine vorgegebene Prozeßposition gehoben. Zur gleichen Zeit wird die Temperatur des Wafers auf die Prozeßtemperatur von beispielsweise etwa 500°C erhöht, indem ein Strom erhöht wird, mit dem die Heizeinheit 44 der unteren Elektrodeneinheit 38 und die Heizeinheit 116 der oberen Elektrodeneinheit 110 versorgt werden. Wenn der Wafer vorher auf die Prozeßtemperatur erhitzt wird, besteht keine Notwendigkeit, die Temperatur zu erhöhen. Dann wird der Prozeßraum mit einem vorgegebenen Filmabscheidungsgas, wie beispielsweise SiH₄, SiF₄ oder O₂ versorgt. Anschließend wird der Druck in der Prozeßkammer 26 auf einem vorgegebenen Prozeßdruck gehalten, indem die Vakuumpumpe (nicht in der Figur gezeigt) betrieben wird, um das Gas in der Prozeßkammer 26 durch die Abgasöffnung 36 zu evakuieren.
Anschließend wird von der Hochfrequenzstromquelle zur Plasmaerzeugung 124 eine Plasma-Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz von beispielsweise 13,65 MHz an die obere Elektrodeneinheit 110 angelegt, um ein Plasma zu erzeugen. Gleichzeitig wird von der Hochfrequenzstromquelle zum Anlegen einer Vorspannung 56 eine Hochfrequenzspannung zum Anlegen einer Vorspannung an die untere Elektrodeneinheit 38 angelegt. Dadurch wird in dem Prozeßraum ein Plasma erzeugt und das Abscheidungsgas wird aktiviert, was zur Abscheidung eines vorgegebenen Films, wie beispielsweise SiOF, auf der Oberfläche des Wafers W führt.
Nach Beginn des Plasmaprozeßes werden der Wafer W und die obere Elektrode 110 allmählich erhitzt. Um eine Überhitzung des Wafers W zu vermeiden, werden die Kühlmäntel 58 und 126, mit denen die Kühlblocks 40 und 112 ausgestattet sind, mit dem Kühlmittel versorgt, um die Kühlmäntel 58 und 126 und die Heizeinheiten 44 und 116 geeignet zu steuern, sodaß die Temperatur des Wafers W so gesteuert wird, daß sie auf Prozeßtemperatur gehalten wird. Als Kühlmittel für die Kühlmäntel 58 und 126 können Wasser oder Gurden (Handelsname) verwendet werden.
In einem solchen Zustand führen die Gasversorgungsmittel entsprechend den oben erwähnten Wärmetransferräumen 62, 64, 74, 128 und 130 Ar-Gas als Wärmetransfergas zu, um die Temperatursteuerbarkeit des Wafers W zu erhalten, sodaß die Wärmetransferräume bei einem konstanten Druck gehalten werden können, der beispielsweise im Bereich von 1333 bis 2666 Pa (10 bis 20 Torr) liegt.
Da die hitzebeständigen Metallabdichtungselemente 66A, 66B, 68A, 68B, 132A und 132B, welche Strukturen aufweisen, die in 3A bis 3E gezeigt sind, verwendet werden, um die Wärmetransferräume abzudichten, bleibt die Abdichtungseigenschaft gut, selbst wenn die Prozeßtemperatur auf etwa 500°C erhöht wird, und es kann verhindert werden, daß das Wärmetransfergas in die Prozeßkammer austritt. Entsprechend läßt sich die Temperatursteuerung des Wafers W präzise durchführen, während die hohe Wärmetransfereffizienz beibehalten wird, ohne eine große Menge von Wärmetransfergas zu verbrauchen.
Darüber hinaus sind die Wärmetransferräume 62, 64, 74, 128 und 130 mit den entsprechenden hitzebeständigen Drucksensoren 98A bis 98F ausgestattet, welche die in 5 gezeigte Struktur aufweisen, welche einer Temperatur von bis zu etwa 500°C standhalten können. Die hitzebeständigen Drucksensoren 98A bis 98F stellen einen Druck in den Wärmetransferräumen fest, und der Strom des Wärmetransfergases wird derart gesteuert, daß der festgestellte Druck auf einem konstanten Wert gehalten wird, wodurch eine präzise Steuerung des Gasdrucks möglich wird. Da der Druck in jedem der Wärmetransferräume, bei denen es sich um Objekte handelt die der Drucksteuerung unterliegen, von jedem Sensor direkt festgestellt werden kann, läßt sich im Gegensatz zu dem konventionellen Verfahren, bei dem die Druckkontrolle erfolgt, indem der Gasdruck in dem Gasversorgungssystem festgestellt wird, eine präzisere Drucksteuerung mit einer schnellen Reaktion durchführen.
Besonders in einem Fall, wenn in dem Wafer W auf der Oberfläche des elektrostatischen Futters 46 eine Positionsverschiebung erzeugt wird oder der Wafer W sich nicht an geeigneten Positionen befindet, weil dazwischen Fremdmaterial existiert, wird der Druck in dem futterseitigen Wärmetransferraum 74 nicht auf einen vorgegebenen Wert erhöht, wenn dieser mit dem Wärmetransfergas versorgt wird. Der oben erwähnte Sensor 98C (oder 98D), der eine schnelle Reaktion aufweist, kann jedoch den unzureichenden Druckanstieg sofort feststellen, um die fehlerhafte Platzierung des Wafers W zu bestimmen.
In dem das untere Isolierelement 42 oder das obere Isolierelement 114 bereitgestellt werden, wird darüber hinaus verhindert, daß die Hochfrequenzstromspannung über das Kühlmittel nach außen austritt (Zirkulationsvorrichtung des Kühlmittels), wenn ein Kühlmittel (beispielsweise Wasser) mit nicht so hohen Isoliereigenschaften als Kühlmittel verwendet wird, das durch die Kühlmäntel 58 und 126 fließt, wodurch eine effiziente Verwendung der Hochfrequenzspannung zur Erzeugung eines Plasmas ermöglich wird.
Es folgt nun eine Beschreibung eines Materials des unteren Isolierelementes 42 und des oberen Isolierelementes 114 mit Bezugnahme auf 7 und 8.
7 ist eine Veranschaulichung zur Erklärung eines Zustandes, in dem das Isolierelement gewölbt ist, und 8 ist ein Schaubild, das den Zusammenhang zwischen thermischer Leitfähigkeit und dem Wölbungsgrad in dem Isolierelement zeigt.
In der in 2 gezeigten Ausführung wird nur Glasquarz für die Isolierelemente 42 und 114 verwendet. Da das Quarzglas einen niedrigen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit aufweist, besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen der Oberseite und der Unterseite, wenn die untere Oberfläche des unteren Isolierelementes 42 beispielsweise in Berührung mit der unteren Elektrodeneinheit 38 gebracht wird, welche eine hohe Temperatur aufweist, und wenn die untere Oberfläche des Isolierelementes 42 in Berührung mit dem Kühlblock 42 gebracht wird. Wenn kein Temperaturunterschied besteht, ist das untere Isolierelement 42 demzufolge flach, wie in 7-(A) gezeigt ist. Wie jedoch 7-(B) zeigt, wird, wenn ein Temperaturunterschied von etwa 150°C erzeugt wird, beispielsweise in einem Fall, in dem die obere Oberfläche bei 200°C ist und die untere Oberfläche bei 50°C ist, das untere Isolierelement 42 in diesem Fall aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zwischen der Oberseite und der Unterseite des unteren Isolierelementes 42 nach unten gebogen, und es wird eine Wölbung erzeugt. Ein Wölbungsgrad wird nun bestimmt durch den Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit, den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung und die Größe und Form des Materials, welches das untere Isolierelement 42 bildet. Ist ein solcher Wölbungsgrad hoch, berühren die oberen und Unterseiten die obere Elektrodeneinheit 38 und den Kühlblock 40 nicht gleichmäßig, was zu einem ungleichmäßigen Kontakt führt. Als Ergebnis kann Wärme nicht gleichmäßig von der Oberfläche der unteren Elektrodeneinheit 38 abgegeben werden, und es wird eine ungleichmäßige Wafertemperatur erzeugt, und die Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Oberfläche des Wafers neigt dazu, sich zu verschlechtern.
Entsprechend wird in der vorliegenden Ausführung für das untere Isolierelement 42 ein Material verwendet, das eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Das bedeutet, daß ein Material mit einem Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von größer als 80 W/mK (Milli-Kelvin) verwendet wird, wenn der zulässige Wölbungsgrad ΔL in der vorliegenden Ausführung beispielsweise auf 15 μm festgesetzt ist. Jedes Material, das einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von größer als 80 W/mK aufweist, kann als solches Material verwendet werden. Beispielsweise kann Aluminiumnitrid (AlN), ein Keramikmaterial, verwendet werden.
8 ist ein Schaubild, das den Zusammenhang zwischen dem Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit und einem Wölbungsgrad in dem Isolierelement zeigt. Aus dem Schaubild von 8 ist ersichtlich, daß der Wölbungsgrad geringer ist als 15 μm, was ein zulässiger Grad ist, wenn der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit größer als 80 W/mK ist. Die Bedingungen der Experimente waren derart, daß der Durchmesser des Isolierelementes 230 mm war, die Dicke 12 mm war und die Wärmeeingabe von der Oberseite 1500 W war. Was die Eigenschaft des Isolierelementes betraf, war außerdem der Young-Modulus 300 GPa, das Poissonverhältnis war 0,33 und der Koeffizient der thermischen Ausdehnung war 5,0 × 10^–6K^–1. Wie oben erwähnt, wird der Temperaturunterschied zwischen der oberen und der Unterseite verrigert, indem das Isoliermaterial aus einem Material mit einem hohen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit gebildet wird, was zu einer Verringerung des Verformungsgrades infolge von Wölbung führt. Infolgedessen findet keine lokale Berührung des Isolierelementes 42 mit den sich darüber und darunter befindenden Elementen statt, und die Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Oberfläche des Wafers W kann beibehalten werden.
Da das oben erwähnte Phänomen nicht nur in dem unteren Isolierelement 42, sondern auch in dem oberen Isolierelement 114 stattfindet (die Richtung der Wölbung ist entgegengesetzt zu der oben erwähnten Richtung), ist es bevorzugt, daß das obere Isolierelement 114 auch aus Aluminiumnitrid mit einem Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von größer als 80 W/mK hergestellt ist.
Es folgt nun eine Beschreibung einer Oberflächenstruktur des unteren Isolierelementes 42 und des oberen Isolierelementes 114 unter Bezugnahme auf 9A bis 9D und 10.
In 2, 4 und 6 ist die Breite eines jeden der Wärmetransferräume 62, 64, 128 und 130 größer angegeben, um das Verständnis zu erleichtern. Tatsächlich befindet sich jedes der Abdichtungselemente in einer konkaven Nut. Obgleich die Struktur fixiert wird, indem sie in Richtung der Höhe angezogen wird, und es selten zur Bildung eines Luftspaltes entsprechend den jeweiligen Wärmetransferräumen kommt, befinden sich darüber hinaus die Verbindungsoberflächen der Elemente, welche jeden der Wärmetransferräume definieren, in einem Punktkontaktzustand, bei dem sich die Verbindungsoberflächen, mikroskopisch betrachtet, an vielen unregelmäßig angeordneten Kontaktpunkten berühren. Das Wärmetransfergas strömt daher auf unregelmäßigen Wegen in den Luftspalt. Die Wärmetransfereffizienz unterscheidet sich daher von Position zu Position entlang der vertikalen Richtung, und daher besteht eine Tendenz zur Verschlechterung der Gleichmäßigkeit der Wafertemperatur in der Oberfläche.
In der vorliegenden Ausführung sind die Verbindungsoberflächen, die in vertikaler Beziehung verbunden sind, um jeden der Wärmetransferräume 62, 64, 128 und 130 zu definieren, mit Gasnuten ausgestattet, durch welche das Wärmetransfergas im Wesentlichen gleichmäßig in den Oberflächen strömt. Die Kontaktrate der Verbindungsoberflächen ist beispielsweise auf 40% bis 80% festgelegt. Das bedeutet, daß beispielsweise netzähnliche oder quer gestreifte Gasnuten 200 (siehe 9A bis 9D) mit einer vorgegebenen Breite gebildet werden, indem eine oder beide der oberen und Unterseiten des unteren Isolierelementes 42 über die gesamte Oberfläche eingeschnitten werden. Entsprechend strömt das Wärmetransfergas durch die Gasnuten 200, und dadurch kann das Wärmetransfergas gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Isolierelements 42 strömen. Infolgedessen wird die Wärmetransfereffizienz in der vertikalen Richtung über die gesamte Oberfläche des Isolierelementes gleichmäßig, und die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in dem Wafer läßt sich verbessern. Wird die Kontaktrate zu sehr verringert, wird in diesem Fall die Hitzebeständigkeit in vertikaler Richtung zu hoch und die Steuerbarkeit der Temperatur des Wafers verschlechtert sich. Der untere Grenzwert der Kontaktrate liegt daher, wie oben erwähnt, bei etwa 40%.
Experimentell wurde die optimale Kontaktrate erhalten, und es folgt nun eine Beschreibung der Ergebnisse der Experimente unter Bezugnahme auf 9A bis 9D und 10. Bei 9A bis 9D handelt es sich um Veranschaulichungen, welche verschiedene Kontaktraten zeigen, wenn die Verbindungsoberfläche des Elementes mit Gasnuten verschiedener Breiten ausgestattet ist. 10 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der Kontaktrate und der Hitzebeständigkeit und der Dispersion der Temperaturverteilung zeigt. Die Kontaktrate entspricht dem Verhältnis der Oberfläche der Gasnuten zu der Oberfläche der übrigen Oberfläche, wenn die Gasnuten auf der Oberfläche des Isolierelementes ausgebildet sind. In 9A bis 9D sind Teile der Oberfläche des Isolierelementes 42, auf der die Gasnuten 200 ausgebildet sind, gezeigt, wobei viereckige Teile 202 der Kontaktfläche entsprechen. Wenn das Verhältnis einer Seite eines der Kontaktteile 202 zur Breite einer der Gasnuten 200 7:1 beträgt, beträgt die Kontaktrate 77% (siehe 9A). Wenn das oben erwähnte Verhältnis 2:1 beträgt, beträgt die Kontaktrate 44% (siehe 9B). Wenn darüber hinaus das oben erwähnte Verhältnis 1:2 beträgt, beträgt die Kontaktrate 11% (siehe 9C). Wenn weiter das oben erwähnte Verhältnis 2:5 beträgt, beträgt die Kontaktrate 2,7% (siehe 9D). Wenn keine Berührungsnut ausgebildet ist, liegt die Kontaktrate bei 100%.
Die Ergebnisse der Untersuchung zur Hitzebeständigkeit und der Dispersion ΔT der Temperaturverteilung in der Waferoberfläche oder verschiedene Kontaktraten sind in 10 gezeigt. Die Dispersion der Temperaturverteilung wird von einer Differenz zwischen dem Höchstwert und dem Mindestwert der Temperatur auf der Waferoberfläche dargestellt.
Obwohl sie von der Art des Prozeßes abhängt, muß die Dispersion der Temperaturverteilung bei einem allgemeinen Erhitzungsprozeß bei unter 30°C liegen. Wenn darüber hinaus die Hitzebeständigkeit sehr groß ist, kann keine gleichmäßige Abfuhr von Wärme (Abkühlung) durchgeführt werden. Die Reaktion verlangsamt sich daher, selbst wenn die Energie des Heizers oder der Strom des Kühlungsmittels in dem Kühlblock gesteuert werden, und die Steuerbarkeit der Temperatur des Wafers verschlechtert sich. Der obere Grenzwert liegt daher bei etwa 0,1 K/W. Um beiden zu genügen, wurde entsprechenderweise festgestellt, das die Kontaktrate auf einen Bereich von 40% bis 80% festgelegt werden sollte.
Wie oben erwähnt und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung läßt sich die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in der Waferoberfläche weiter verbessern, da das Wärmetransfergas gleichmäßig in jede Richtung innerhalb der Oberfläche strömen kann, ohne die Hitzebeständigkeit zu sehr zu erhöhen.
Die oben erwähnten Gasnuten 200 sind nicht nur auf die obere und untere Oberfläche des unteren Isolierelementes 42 und die obere und untere Oberfläche des oberen Isolierelementes 114 anwendbar, sondern auch auf die Oberfläche der Elektrodeneinheit, welche die zuvor erwähnten Oberflächen und die Oberfläche des Kühlblocks berührt.
Unter Bezugnahme auf 11 bis 13 folgt nun eine Beschreibung eines Beispiels, in dem die Oberflächenrauhigkeit Ra des unteren Isolierelementes 42 und des oberen Isolierelementes 114 definiert wird.
Da die Oberflächenrauhigkeit jedes Elementes, welches jeden der in 2 gezeigten Wärmetransferräume 62, 64, 128 und 130 definiert, den tatsächlichen Berührungsbereich zwischen den Elementen und den tatsächlichen Abstand zwischen den Elementen beeinflusst, wird die Wärmetransfereffizienz, das heißt, die Hitzebeständigkeit zwischen den gegenüber liegenden Elementen, beeinflusst. 11 ist eine mikroskopisch vergrößerte Veranschaulichung eines Teils des Wärmetransferraumes 62, der zwischen der Unterseite der unteren Elektrodeneinheit 38 und der Oberseite des unteren Isolierelementes 42 gebildet ist, die als Beispiel dient. Wie in 11 gezeigt ist, läßt sich erkennen, daß sich der tatsächliche Berührungsbereich zwischen den Elementen und der tatsächliche Abstand zwischen den Elementen j e nach der Oberflächenrauhigkeit verändert.
Ist der Wärmetransferraum 62, der zwischen der Unterseite der unteren Elektrodeneinheit 38 und der Oberseite des unteren Isolierelementes 42 gebildet ist, groß, ist die Hitzebeständigkeit zwischen der Unterseite der unteren Elektrodeneinheit 38 und der Oberseite des unteren Isolierelementes 42 größer. Ist die Hitzebeständigkeit groß, kann keine gleichmäßige Abfuhr von Wärme (Abkühlung) erfolgen, und unter Umständen verschlechtert sich die Steuerbarkeit der Wafertemperatur.
Dies wird unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. 12 ist eine veranschaulichende Ansicht der in 2 gezeigten Elektrodeneinheit 28. In 12 wird angenommen, daß eine Wärmemenge Qw aufgrund des Plasmas zu dem Wafer W geleitet wird, und daß von der Heizeinheit 44 eine maximale Wärmemenge Pw zugeführt werden kann. Es wird außerdem angenommen, daß in dem Kühlblock 40 eine Wärmeabfuhr (Abkühlung) der Wärmemenge Xw erfolgen kann. Ist die Hitzebeständigkeit an der oberen und unteren Grenze des Isolierelementes 42 groß, kann die Wärmemenge Xw nicht groß sein, und eine große Wärmemenge sammelt sich in der Elektrodeneinheit 38 an. Entsprechend muß die von der Heizeinheit 44 abgegebene Energie gesteuert werden, und daher verschlechtert sich die Steuerbarkeit der Temperatur, um den Wafer W auf einer geeigneten Prozeßtemperatur zu halten.
Entsprechend wird in der vorliegenden Ausführung die Oberflächenrauhigkeit Ra der oberen und unteren Grenze des Isolierelementes 42 auf kleiner als 2,0 μm festgelegt, damit die Hitzebeständigkeit auf kleiner als 0,1 K/W festgesetzt ist. Wie oben erwähnt kann die Wärmemenge Xw zur Wärmeabfuhr erhöht werden, wenn die Hitzebeständigkeit kleiner als 0,1 K/W ist. Entsprechend kann die Heizeinheit 44 mit mehr Energie versorgt werden, und daher kann die Wafertemperatur mit guter Steuerbarkeit gesteuert werden.
Es folgt nun eine Beschreibung des oberen Grenzwertes der Hitzebeständigkeit und der Oberflächenrauhigkeit unter Bezugnahme auf 13. 13 ist ein Schaubild, das die Oberflächenrauhigkeit Ra des Isolierelementes und die Hitzebeständigkeit zeigt. Wie aus dem Schaubild erkennbar ist, erhöht sich die Hitzebeständigkeit, wenn sich die Oberflächenrauhigkeit Ra erhöht. In der herkömmlichen Elektrodenstruktur muß die freizusetzende Wärmemenge in Anbetracht der Energie der Heizeinheit 44 und dem Kühlungsgrad in dem Kühlblock 40 mindestens 5 W(Watt)/cm² betragen. Nun beträgt die Hitzebeständigkeit etwa 0,1 K/W. Entsprechend ist aus dem Schaubild erkennbar, daß die Oberflächenrauhigkeit Ra auf kleiner als 2,0 μm festgelegt werden sollte.
Es ist erkennbar, daß die Oberflächenrauhigkeit Ra des oben erwähnten Isolierelementes 42 auf dieselbe Weise auf das obere Isolierelement 114 der oberen Elektrodenstruktur 30 (siehe 2) anwendbar ist.
Es folgt nun eine Beschreibung einer Variante des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes zur Verbesserung der Abdichtungseigenschaft unter Bezugnahme auf 14 bis 16.
Die Oberflächen des Isolierelementes, der Elektrodeneinheit und des Kühlblocks befinden sich im Allgemeinen in einem flachen, glatten Zustand, indem sie durch Läppen oder dergleichen hochglanzpoliert werden, um einen guten Kontakt dazwischen zu erreichen. 14 zeigt veranschaulichend die Unterseiten der Elektrodeneinheit und die obere Oberfläche des Isolierelementes, wobei die Oberflächen hochglanzpoliert sind und nur sehr kleine Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche vorhanden sind. Es gibt jedoch einen Fall, bei dem sich in der Oberfläche des Isolierelementes 42, welche aus einem Quarzglas eines Keramikmaterials hergestellt ist, aufgrund von Körnungsverlust während des Hochglanzpolierprozeßes ein kleiner Kratzer 204 bildet. Der Kratzer 204 kann auch auf der Seite der Elektrodeneinheit 38 erzeugt werden, welche aus Aluminium hergestellt ist.
Wenn ein solcher Kratzer 204 aufgrund von Körnungsverlust erzeugt wird, gibt es einen Fall, bei dem der Kratzer als Weg für Undichtigkeiten wirken kann, und das Wärmetransfergas kann durch den Kratzer austreten, selbst wenn das hitzebeständige Abdichtungselement 66A bereitgestellt ist.
Entsprechend ist in der vorliegenden Ausführung ein Weichmetallfilm oder eine Weichmetallschicht, welcher oder welche aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt ist, das sich in der Nähe der Prozeßtemperatur des Wafers erweicht, auf der Oberfläche des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes oder der Oberfläche des Elementes, welches das hitzebestän dige Metallabdichtungselement berührt, ausgebildet.
15 zeigt einen Zustand, bei dem der Weichmetallfilm 206 auf der Oberfläche des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes 66A ausgebildet ist, und 15B zeigt einen Zustand, bei dem der Weichmetallfilm 206 erweicht ist. Darüber hinaus zeigt 16A einen Zustand, in dem die Weichmetallschicht 208 auf der Oberfläche des Elementes ausgebildet ist, welches das hitzebeständige Metallabdichtungselement 66A berührt, das heißt, die untere Oberfläche der Elektrodeneinheit 38 und die Oberfläche des Isolierelementes 42, und 16B zeigt einen Zustand, bei dem die Weichmetallschicht 208 erweicht ist. Die Weichmetallschicht 208 ist in einer ringähnlichen Form entlang dem Abdichtungselement 66A gebildet. Der Weichmetallfilm 206 und die Weichmetallschicht 208 können aus Indium hergestellt sein, wie unter Bezugnahme auf 3D erläutert ist, ist aber nicht darauf beschränkt.
Wenn der Weichmetallfilm 206 oder die Weichmetallschicht 208 verwendet werden, erweicht sich, wie oben erwähnt, das Material während der Waferbehandlung und das erweichte Material gelangt in den oben erwähnten Kratzer 204, um den Kratzer auszufüllen (siehe 15(B) und 16(B)). Entsprechend gibt es keinen Weg für Undichtigkeiten und es kann verhindert werden, daß das Wärmetransfergas nach außen austritt.
Obgleich die Weichmetallschicht 208 auf beiden Oberflächen bereitgestellt ist, die das Abdichtungselement 66A berührt, wie in 16A gezeigt, kann das Weichmetallelement 208 nur an dem Isolierelement 42 bereitgestellt sein, bei dem Kratzer 204 mit hoher Häufigkeit erzeugt werden. Darüber hinaus kann die Kombination der in 15A gezeigten Struktur und der in 16A gezeigten Struktur verwendet werden.
Es folgt nun eine Beschreibung von Varianten des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes unter Bezugnahme auf 17A und 17B, um den Korrosionswiderstand in Bezug auf ein Fluoridgas zu verbessern.
Bei dieser Art von Behandlungseinrichtung gibt es den Fall, bei dem ein hoch korrosives Fluoridgas in einem Prozeß, einem Ätzprozeß oder einem Reinigungsprozeß verwendet wird. In einem solchen Fall kann das Fluoridgas Korrosion des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes verursachen, wenn das Fluoridgas in Berührung mit dem hitzebeständigen Metallabdichtungselement gebracht wird.
Um die Korrosion zu verhindern, ist jedoch in der vorliegenden Ausführung, wie in 17A und 17B gezeigt, ein Fluoridpassivierungsfilm 210 auf der Oberfläche des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes gebildet, wobei der Passivierungsfilm einen hohen Korrosionswiderstand in Bezug auf das Fluoridgas aufweist. In dem in 17A gezeigten hitzebeständigen Metallabdichtungselement ist der Fluoridpassivierungsfilm 210 auf der gesamten Oberfläche des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes 66A gebildet (demselben, das in 3A gezeigt ist), welches einen runden Querschnitt aufweist. Darüber hinaus handelt es sich bei dem hitzebeständigen Metallabdichtungselement, das in 17B gezeigt ist, um das hitzebeständige Metallabdichtungselement 66A-1 (demselben, das in 3B gezeigt ist), welches eine bogenähnliche Form aufweist, von der ein Teil geöffnet ist, und der Fluoridpassivierungsfilm 210 ist auf den gesamten Vorder- und Rückenoberflächen, das heißt, auf den gesamten frei liegenden Oberflächen gebildet, welche in Berührung mit dem Fluoridgas gebracht werden können. Im Fall der Abdichtungselemente 66A-2, 66A-3 und 66A-4 kann der Fluoridpassivierungsfilm 210 außerdem nicht nur auf einer äußeren Oberfläche, sondern auch auf einer inneren Oberfläche gebildet sein.
So wird verhindert, daß das Metallabdichtungselement 66A durch das Fluoridgas korrodiert wird, was den Korrosionswiderstand des Elementes verbessert. Das Verfahren des Ausbildens des Fluoridpassivierungsfilmes 210 kann auch auf alle anderen Metallabdichtungselemente 66B, 132A und 132B angewandt werden (siehe 2).
Unter Bezugnahme auf 18 bis 20 folgt nun eine Beschreibung einer Variante, welche die Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Waferoberfläche verbessert, indem ein Teil der Säule 48, welche die Elektrodeneinheit 38 trägt, adaptiert wird.
Die Säule 48, welche einen Durchmesser von 4 cm bis 5 cm aufweist und die untere Elektrodeneinheit 38 trägt, weist einen hohlen Innenraum auf, wie in 2 gezeigt, und der Innenraum kann gegenüber der Atmosphäre offen sein oder die Säule kann abgedichtet sein. In jedem Fall hat der Mittelabschnitt der unteren Elektrodeneinheit 38, mit dem die Säule 48 verbunden ist, einen geringeren Wärmeabfuhreffekt, da der Kühlblock 40 nicht darunter positioniert ist. Entsprechend neigt die Temperatur des Mittelabschnittes der unteren Elektrodeneinheit 38 dazu, etwas höher zu sein als die Temperatur der Peripherie, was die Verschlechterung der Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Waferoberfläche verursacht.
Entsprechend ist in der vorliegenden Erfindung ein Gasgebläsemittel bereitgestellt, um eine Abfuhr von Wärme in diesem Abschnitt zu fördern. 18 ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, in dem das Gasgebläse in der Säule bereitgestellt ist. 19 ist ein Schaubild, das die Temperaturverteilung in der Oberfläche des Halbleiterwafers zeigt.
Wie in 18 gezeigt, ist eine Gaseinspritzdüse 222 als das Gasgebläsemittel 220 von unten in die Hohlsäule 48 eingeführt, wobei die Säule den Mittelabschnitt der unteren Elektrodeneinheit 38 trägt. Eine Einspritzöffnung 224 am Ende der Gaseinspritzdüse 222 befindet sich an einer Position unter der Unterseite der Elektrode 38 in einem Abstand von etwa 1 cm von der Unterseite der Elektrodeneinheit 38, sodaß ein. Gas, wie beispielsweise N₂-Gas bei Raumtemperatur zum Mittelabschnitt der Unterseite der Elektrodeneinheit 38 eingespritzt wird, um die Wärmeabfuhr (Abkühlung) an diesem Abschnitt zu fördern. Das eingespritze Gas wird durch eine Abgasöffnung 226 am unteren Ende der Säule 38 abgeführt. Die Temperatur des Gases kann zuvor abgekühlt werden, um die Wärmeabfuhreffizienz zu erhöhen. Wird die Wärmeabfuhreffizienz jedoch zu stark erhöht, wird die Temperatur des Mittelabschnittes der Elektrode 38 unerwünscht stark verringert.
19 ist ein Schaubild, welches den Effekt des Kühlgebläsemittels zeigt und einen Fall zeigt, in dem das Kühlgebläsemittel nicht vorhanden ist, und einen Zustand, in dem das Kühlgebläsemittel vorhanden ist (20 Liter/Min. und 40 Liter/Min.). Das Kühlgebläsemittel spritzt N₂-Gas bei Raumtemperatur ein. Wie aus dem Schaubild in 19 ersichtlich ist, ist die Temperatur der Wafermitte hoch und die Temperatur in der Periphere niedrig, wenn das Kühlgebläsemittel nicht vorhanden ist. In diesem Fall ist die Temperaturdifferenz ΔT in der Oberfläche des Wafers so hoch, daß sie 24°C erreicht.
Wenn das Kühlgebläsemittel vorhanden ist und das Gas bei einer Strömungsrate von 40 Litern/Min. eingespritzt wird, wird die Wärmeabfuhr sehr stark gefördert und die Temperatur der Wafermitte ist niedrig. Auch in diesem Fall ist auch die Temperaturdifferenz ΔT in der Oberfläche des Wafers so hoch, daß sie 24°C erreicht.
Wenn das Kühlgebläsemittel andererseits vorhanden ist und das Gas bei einer Strömungsrate von 20 Litern/Min. eingespritzt wird, wird die Temperatur der Wafermitte angemessen verringert. Entsprechend verringert sich die Temperaturdifferenz ΔT auf etwa 15°C, und die Gleichmäßig keit der Temperatur in der Waferoberfläche zeigt ein gutes Ergebnis.
Wie oben erwähnt, läßt sich die Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Waferoberfläche stark verbessern, indem die Wärmeabfuhr gefördert wird, indem das Gas zum Mittelabschnitt der Unterseite der unteren Elektrodeneinheit 38 eingespritzt wird.
In der oberen erwähnten Ausführung wird die Wärmeabfuhr des Mittelabschnittes der unteren Elektrodeneinheit 38 gefördert, indem das Gasgebläsemittel 220 bereitgestellt wird. Anstelle von oder in Kombination mit dem Gebläsemittel können die Elemente jedoch über ein wärmeleitfähiges Element 230 verbunden werden, das beispielsweise aus Aluminium oder dergleichen hergestellt ist und das zwischen der Säule 48 und dem Kühlblock 40 positioniert ist. Die Bezugsziffer 232 deutet auf ein Abdichtungselement wie beispielsweise einen O-Ring, welcher die Luftdichtigkeit der Prozeßkammer erhält.
Entsprechend wird die Wärme in der unteren Elektrodeneinheit 38 über die Säule 48 und das wärmeleitfähige Element 230 auf den Kühlblock 40 übertragen. Ähnlich wie in dem Fall mit Bezugnahme auf 18, ist die Wärmeabfuhr des Mittelabschnitts der unteren Elektrodeneinheit 38 entsprechend erhöht, und die Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Waferoberfläche läßt sich steigern.
In der oben erwähnten Ausführung werden die in 3A bis 3E gezeigten hitzebeständigen Metallabdichtungselemente verwendet, um jeden der Wärmetransferräume abzudichten. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch Wärmetransferräume, die eine Labyrinthstruktur aufweisen, sodaß das Wärmetransfergas nicht aus ihnen heraus gelangt.
Es folgt nun eine Beschreibung dieses Punktes, indem beispielsweise das Verbindungsteil zwischen der unteren Elektrodeneinheit 38 und dem unteren Isolierelement 42 hergenommen werden. Wie in 21 und 22A und 22B gezeigt ist, sind auf der Unterseite des unteren Isolierelementes 42 mit einem vorgegebenen Abstand beispielsweise von mehreren Millimetern in einer spiralförmigen Anordnung oder in einer konzentrischen Anordnung (bei dem in 21 gezeigten Beispiel handelt es sich um eine spiralförmige Anordnung) kleine Nuten 150 ausgebildet, von denen eine jede eine Breite von 2 mm aufweist. Darüber hinaus sind auf der Oberseite des unteren Isolierelementes 42, welches der Elektrodeneinheit 38 gegenüber liegt, kleine Nuten 152 ausgebildet, sodaß die von den Nuten 152 ausgebildete kovex-konkave Struktur zu der von den Nuten 150 ausgebildeten kovex-konkaven Struktur passt. Das bedeutet, daß durch Anordnung der Nuten 150 und 152 wie in 22A gezeigt ein Wärmetransfer-Labyrinthraum 154 gebildet wird. In diesem Fall kann das Wärmetransfergas bis zu einem bestimmten Grad in dem Wärmetransfer-Labyrinthraum 154 gehalten werden, ohne das hitzebeständige Metallabdichtungselement zu verwenden.
Wie darüber hinaus in 22B gezeigt, können die Nuten 150 nur auf einer der Oberflächen ausgebildet sein, das heißt, auf der in dem Beispiel in der Figur gezeigten unteren Elektrodeneinheit 38, und die andere Oberfläche, die der einen Oberfläche gegenüber liegt, kann flach sein. Obgleich der in diesem Fall gebildete Wärmetransfer-Labyrinthraum 154 nicht das gleiche Maß an Abdichtungseigenschaft wie der in 22A gezeigte bereitstellen kann, läßt sich das Wärmetransfergas bis zu einem gewissen Grad festhalten.
Obwohl in der oben erwähnten Ausführung jede der Heizeinheiten 44 und 116 aus einem Mantel-Heizer besteht, kann darüber hinaus jede der Heizeinheiten durch eine Keramik-Heizvorrichtung gebildet werden, die z.B. durch Strukturieren eines Metallwiderstands in Keramik hergestellt wird. Darüber hinaus können die Heizeinheiten 44 und 116 in zwei Zonen eingeteilt werden, wie beispielsweise die mittige Heizeinheit 44A und die außenseitige Heizeinheit 44B, wie gezeigt in 23, sodaß die Temperatursteuerung auf Basis einer individuellen Zone erfolgen kann. Im Fall des keramischen Heizers kann durch Erhöhen oder Verringern der Breite des strukturierten Widerstands in der Mitte der konzentrischen Anordnung oder der spiralförmigen Anordnung eine Steuerung erreicht werden, die der Steuerung der Wärmeerzeugung auf Basis einzelner Zonen entspricht.
In der vorliegenden Erfindung sind die Isolierelemente 42 und 114 des Weiteren respektive zwischen den Elektrodeneinheiten 38 und 110 und den Kühlblöcken 40 und 112 bereitgestellt. Die Isolierelemente 42 und 114 sind jedoch nicht notwendigerweise bereitgestellt, und die Elektrodeneinheiten 38 und 110 können direkt mit den entsprechenden Kühlblöcken 40 und 112 verbunden sein. In einem solchen Fall wird auch ein kleiner Wärmetransferraum an der Grenze der verbundenen Oberflächen gebildet. Die Isolierung zwischen der Prozeßkammer 26 und jeder Elektrodenstruktur ist in diesem Fall an verschiedenen Positionen bereitgestellt.
Obgleich in der Beschreibung der CVD-Plasmaprozeß herangezogen wurde, beispielsweise in der oben erwähnten Ausführung, läßt sich die vorliegende Erfindung auch auf andere Prozeße, wie beispielsweise einen Plasma-Ätzprozeß, einen Plasma-Sputtering-Prozeß, einen Plasma-Veraschungsprozeß oder einen CVD-Hitzeprozeß anwenden, welcher kein Plasma verwendet. In 24 sind Teile, die den in 2 gezeigten Teilen entsprechen, mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
In dieser Figur ist anstelle der in 2 gezeigten Gasdüse eine Duschkopfeinheit 150 bereitgestellt, wobei die Duschkopfeinheit 150 das Prozeßgas, wie beispielsweise ein Filmabscheidungsgas, dem Inneren der Prozeßkammer 26 zuführt, und anstelle der in 2 gezeigten unteren Elektrodenstruktur 28 ist eine Platziertischstruktur 162 bereitgestellt. Die Platziertischstruktur 162 umfaßt den Kühlblock 40 und einen Platziertisch 164, der dieselbe Struktur wie die in 2 gezeigte untere Elektrodenstruktur 28 aufweist. In dem Wärmetransferraum 62 zwischen dem Platziertisch 162 und dem Kühlblock 40 sind die hitzebeständigen Metallabdichtungselemente 66A und 66B bereitgestellt. Da keine Hochfrequenzenergiequelle verwendet wird, wird das untere Isolierelement 42, das in der in 2 gezeigten Einrichtung bereitgestellt ist, nicht benötigt. In diesem Fall können eine Wirkung und Effekt bereitgestellt werden, die denen der in 2 gezeigten Einrichtung entsprechen. Beispielsweise kann der Effekt, daß eine Temperatur eines zu behandelnden Objektes präzise gesteuert werden kann, bereitgestellt werden, ohne daß eine große Menge von Wärmetransfergas verbraucht wird, indem hohe Abdichtungseigenschaften für den Wärmetransferraum gewahrt bleiben.
Die Modi der unter Bezugnahme auf 7 bis 20 beschriebenen Beispiele können auf die Platziertischstruktur angewandt werden, indem der Wärmetransfer-Labyrinthraum 154 und die Platziertischstruktur 162 verwendet werden, die keine Hochfrequenzenergiequelle verwenden.
Obgleich in der Beschreibung beispielsweise der Halbleiterwafer als zu behandelndes Objekt herangezogen wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, und kann auch auf ein LCD-Substrat, ein Glassubstrat oder dergleichen angewandt werden.
Wie oben verwendet, können die Elektrodenstruktur, die Platziertischstruktur, die Plasmabehandlungseinrichtung und die Behandlungseinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die folgenden hervorragenden Effekte erzielen.
Gemäß der Elektrodenstruktur der vorliegenden Erfindung läßt sich in einem hohen Temperatur bereich ein hoher Abdichtungseffekt für den Wärmetransferraum erhalten, beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 250°C bis 500°C, was höher als 200°C ist.
Vor allem in einem Fall, bei dem der Druck in dem Wärmetransferraum oder dem Wärmetransfer-Labyrinthraum, der gesteuert werden soll, von dem hitzebeständigen Drucksensor gemessen wird, kann eine schnelle und präzise Drucksteuerung durchgeführt werden.
Darüber hinaus läßt sich in Übereinstimmung mit der Platziertischstruktur der vorliegenden Erfindung in einem hohen Temperaturbereich ein hoher Abdichtungseffekt für den Wärmetransferraum erhalten, beispielsweise bei einer Temperatur, die höher ist als 200°C, wie beispielsweise in einem Bereich von 250°C bis 500°C, um die Temperatur des zu behandelnden Objektes präzise zu steuern, ohne eine große Menge an Wärmetransfergas zu verbrauchen.
Besonders in dem Fall, bei dem der Druck in dem Wärmetransferraum oder dem Wärmetransfer-Labyrinthraum, der gesteuert werden soll, von dem hitzebeständigen Drucksensor gemessen wird, kann eine schnelle und präzise Drucksteuerung durchgeführt werden.
Indem außerdem der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des Isolierelementes auf größer als 80 W/mK festgelegt wird, läßt sich die Wölbungsdeformation steuern, und die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in einer Oberfläche des zu behandelnden Objektes kann verbessert werden.
Indem außerdem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Kontaktrate der Verbindungsoberflächen, welche den Wärmetransferraum definieren, so festgesetzt wird, daß sie in einen Bereich von 40% bis 80% fällt, kann die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in einer Oberfläche des zu behandelnden Objektes weiter verbessert werden, da das Wärmetransferfas im Wesentlichen gleichmäßig in der Oberfläche strömen kann, ohne die Hitzebeständigkeit zu sehr zu erhöhen.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden und die Steuerbarkeit der Temperatur des zu behandelnden Objektes kann verbessert werden, indem die Oberflächenrauhigkeit Ra des Elementes, welches den Wärmetransferraum definiert, auf kleiner als 2,0 μm festgesetzt wird.
Durch Formen des Weichmetallfilms oder der Weichmetallschicht aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt, welches sich bei einer Prozeßtemperatur des zu behandelnden Objektes erweicht, auf der Oberfläche des hitzebeständigen Metallabdichtungselementes oder der Oberfläche des Elementes, welches das hitzebeständige Metallabdichtungselement berührt, kann darüber hinaus ein Schnitt in der Oberfläche, welche das Abdichtungselement berührt, von dem erweichten Material gefüllt werden, was einen Weg zum Austreten von Leckagen beseitigt, wodurch verhindert werden kann, daß Wärmetransfergas durch den Schnitt austritt.
Indem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Gas vom Inneren der Hohlsäule aus, welche die Elektrodeneinheit oder den Platziertisch trägt, in Richtung der Elektrodeneinheit oder des Mittelabschnittes der Rückenoberfläche des Platziertisches eingespritzt wird, kann die Abfuhr von Wärme von einem solchen Abschnitt sowie die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung in der Oberfläche des zu behandelnden Objektes gefördert werden.
In Übereinstimmung mit der Plasmabehandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren ein Plasmaprozeß mit einer präzisen Steuerung der Temperatur eines zu behandelnden Objektes in einem hohen Temperaturbereich durchgeführt werden.
In Übereinstimmung mit der Behandlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren ein Prozeß mit einer präzisen Steuerung der Temperatur eines zu behandelnden Objektes in einem hohen Temperaturbereich durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezifisch beschriebenen Ausführungen beschränkt, und es können Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.

Claims

Elektrodenstruktur, welche in einer Plasmabehandlungseinrichtung verwendet wird, die einen vorgegebenen Prozeß an einem Objekt (W) durchführt, welches mit Hilfe eines Plasmas in einer Prozeßkammer (26), in der ein Vakuum gebildet werden kann, zu behandeln ist, wobei die Elektrodenstruktur dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt: eine Elektrodeneinheit (38; 110), welche eine Heizeinheit (44; 116) darin aufweist; einen Kühlblock (40; 112), welcher mit der Elektrodeneinheit verbunden ist und einen Kühlmantel (58; 126) aufweist, welcher die Elektrodeneinheit kühlt; einen Wärmetransfer-Labyrinthraum (154), welcher von einer konzentrischen oder spiralförmigen Nut (150) gebildet ist, welche auf wenigstens einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Elektrodeneinheit und des Kühlblocks bereitgestellt ist; und eine elektrodenseitige Wärmetransfergas-Versorgungsstruktur (94; 142), welche konfiguriert ist, ein Wärmetransfergas dem Wärmetransfer-Labyrinthraum zuzuführen.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektrodeneinheit (38; 110) und dem Kühlblock (40; 112) ein Isolierelement (42; 114) zur Verfügung gestellt ist, und der Wärmetransferraum (62, 64; 128, 130) durch das Isolierelement in einen oberen Raum (62, 128) und einen unteren Raum (64, 130) geteilt wird.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierelement (42; 114) aus einem Material hergestellt ist, welches einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von größer als 80 W/mK aufweist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierelement (42; 114) aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt ist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktrate einer verbindenden Oberfläche eines Elementes, welches verbunden wird, um den Wärmetransferraum (62, 64; 128, 130; 154) zu definieren, eingestellt ist, daß sie in einen Bereich von 40% bis 80% fällt.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit Ra eines Elementes, welches den Wärmetransferraum (62, 64; 128, 130; 154) definiert, kleiner als 2,0 μm ist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (44; 116) ein keramischer Heizer ist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (44; 116) in konzentrische Zonen aufgeteilt ist, und die aufgeteilten Zonen individuell steuerbar sind.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinheit (38; 110) eine obere Elektrodeneinheit (110) ist, welche oberhalb des zu behandelnden Objekts (W) positioniert ist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinheit (38; 110) eine untere Elektrodeneinheit (38) ist, welche auch als ein Plaziertisch dient, auf dem das zu behandelnde Objekt (W) plaziert wird, und daß die Elektrodenstruktur des weiteren ein elektrostatisches Futter (46), welches mit einer oberen Oberfläche der unteren Elektrodeneinheit so verbunden ist, daß es das zu behandelnde Objekt (W) anzieht, und eine futterseitige Wärmetransfergas-Versorgungseinrichtung (96) umfaßt, zum Zuführen eines Wärmetransfergases in einen futterseitigen Wärmetransferraum (74), welcher zwischen dem elektrostatischen Futter und dem zu behandelnden Objekt ausgebildet ist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer von dem elektrodenseitigen Wärmetransferraum (62, 64; 128, 130), dem Wärmetransfer-Labyrinthraum (154) und dem futterseitigen Wärmetransferraum (74) mit einem hitzebeständigen Drucksensor versehen ist, und die Gasmenge, die von der entsprechenden Wärmetransfergas-Versorgungseinrichtung zugeführt wird, basierend auf einer Ausgabe des hitzebeständigen Drucksensors gesteuert wird.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte der Elektrodeneinheit (38; 110) von einer Hohlsäule (48) gehalten ist, und daß eine Gasgebläseeinrichtung (222) zum Fördern der Wärmeabfuhr durch Blasen eines Gases in Richtung auf die Mitte der Rückseitenoberfläche der Elektrodeneinheit in der Säule bereitgestellt ist.
Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte der Elektrodeneinheit (38; 110) von einer Säule (48) gehalten ist, und daß die Säule mit dem Kühlblock (40; 112) mittels eines wärmeleitfähigen Elements verbunden ist.
Plaziertischstruktur, welche die Elektrodenstruktur nach Anspruch 1 umfaßt, wobei die Elektrodeneinheit ein Plaziertisch ist.
Plaziertischstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktrate einer verbindenden Oberfläche eines Elementes zum Definieren des Wärmetransferraums (154) so eingestellt ist, daß sie in einen Bereich von 40% bis 80% fällt.
Plaziertischstruktur nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit Ra eines Elementes, welches den Wärmetransferraum (154) definiert, kleiner als 2,0 μm ist.
Plaziertischstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte des Plaziertisches (164) von einer Hohlsäule (48) gehalten ist, und daß eine Gasgebläseeinrichtung (222) zum Fördern der Wärmeabfuhr durch Blasen eines Gases in Richtung auf die Mitte einer Rückseitenoberfläche der Elektrodeneinheit in der Säule bereitgestellt ist.
Plaziertischstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte des Plaziertisches (164) von einer Säule (48) gehalten ist, und daß die Säule mit dem Kühlblock (40) mittels eines wärmeleitfähigen Elementes verbunden ist.
Plasmabehandlungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: eine Prozeßkammer (26), in welcher ein Vakuum ausgebildet werden kann; eine Elektrodenstruktur (28, 30), wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 13 genannt ist, oder eine Plaziertischstruktur nach einem der Ansprüche 14 bis 18; und eine Hochfrequenz-Quelle (56), welche eine Hochfreguenzspannung an die Elektrodenstruktur anlegt.