JP2002367961A - 熱伝導性ブッシングを有する高周波電力プローブヘッド - Google Patents

熱伝導性ブッシングを有する高周波電力プローブヘッド

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波電力において発生する熱を効果的に放
散できるプローブインタフェースブッシングを提供する
こと。 【解決手段】 高周波プローブヘッド用プローブインタ
フェースは、高周波電力をプラズマチャンバーに伝える
導体と、高周波電力に基づいてアナログ信号を生成させ
るセンシングボードを有する。熱伝導性があり、高周波
電力から発生する熱を放散させる電気絶縁ブッシング
は、前記導体と前記センシングボードとの間に配置され
る。前記ブッシングに熱伝導性を付与することにより、
熱不安定性を減少させ、全体的高周波電力の操作能力を
向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体プラズマエ
ッチングに関する。特に、本発明は、プローブインタフ
ェースに関し、高周波電力から発生する熱をより良く放
散させるプラズマチャンバーに供給される高周波（Ｒ
Ｆ）電力を測定する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】半導体業界では、プラズマエッチングは
半導体回路製造の不可欠な部分となっている。電界によ
り加速されたイオンを使うプラズマエッチングは、水平
な露出表面だけを食刻する傾向があるので、アンダーカ
ッティングを回避できる。典型的なプラズマエッチング
システムは、プラズマチャンバー（エッチングを行うシ
リコンウェーハを入れる）、電力供給システム、および
前記プラズマチャンバーに高周波電力を閉回路により制
御するフィードバックシステムを具備する。フィードバ
ックシステムは、通常、導体を通って流れる高周波電力
に基づいてアナログ信号を生成するプローブヘッドと、
アナログ信号を処理して、電圧の大きさ、電流の大き
さ、および相対位相デジタルデータなどの有用なデータ
を得るプローブ分析システムとを有する。
【０００３】プラズマチャンバーや電力供給システムと
比べるとプローブヘッドは比較的小さいことに注目する
ことは重要である。プローブヘッドは、導体と、センシ
ングボードと、電気絶縁ブッシングで構成されるプロー
ブインタフェースを収容するハウジングを有するのが普
通である。導体は、電力供給システムとプラズマチャン
バーとの間に接続される電力線と直列に設けられる。し
たがって、導体は、プラズマチャンバーに対する高周波
電力の供給に参加する。センシングボードは、一般に導
体に流れる高周波電力に基づいて電圧アナログ信号と電
流アナログ信号を生成する電圧引き上げボードと電流引
き上げボードを有している。
【０００４】ブッシングは、人がハウジングに触れて感
電するのを防ぐため導体を包囲して取り付ける電気的絶
縁体である。ブッシングは、さらに電力損失を最小限に
抑える働きをする。この目的のため、従来のブッシング
は、誘電定数が約２．８５であるポリテトラフルオロエ
チレン（ＰＴＥＦ−登録商標：テフロン）でできてい
る。したがって、比較的低い誘電率（すなわち、高絶縁
耐力）を有するブッシングは、導体とセンシングボード
との間を電気的に絶縁する。
【０００５】上記のプローブインタフェースは従来から
有効であったが、まだかなりの向上の余地がある。たと
えば、シリコンウェーハのサイズが大きくなるにつれて
（高周波電力の周波数ばかりではなく）、必要とされる
高周波電力の量も増加する。電力に関連する電流が導体
内に熱を発生させる。一方、半導体業界も小さいプロー
ブヘッドを必要としている。したがって、電流の増加に
対応して導体のサイズを大きくすることはできない。そ
の結果、熱不安定性が増し電力操作能力が制限されるこ
とがしばしば起きている。実際、テフロンは、ケルビン
目盛りの１度当たり１ｍにつき約０．４１ワットという
比較的低い熱伝導率を有するため、そのブッシングは、
導体に対する熱絶縁体として使用されている。テフロン
の熱特性については、２０００年、１０月４−６日開催
の北米熱分析学会２８回会議議事録 ５７９−５８４
頁、Ｄ．Ｍ．プライス他による“ＰＴＦＥおよびＰＴＦ
Ｅ複合材料の熱伝導性”に詳細に述べられている。それ
故に、高周波電力において発生する熱をより効果的に放
散できるプローブインタフェースブッシングを提供する
ことが期待されている。
【０００６】上記のおよびその他の目的は、本発明によ
る高周波プローブヘッド用プローブインタフェースによ
って実現される。プローブインタフェースは、高周波電
力をプラズマチャンバーへ伝える導体と、高周波電力に
基づいてアナログ信号を生成するセンシングボードを有
する。導体とセンシングボードとの間に配置される電気
絶縁ブッシングは、熱伝導性があり高周波電力から発生
する熱を放散する。ブッシングに熱伝導性を付与したた
めに、熱不安定性が減少し、全般的な高周波電力操作能
力は向上する。
【０００７】さらに本発明によれば、高周波プローブヘ
ッド用電気絶縁ブッシングが提供される。ブッシング
は、熱伝導性材料と熱伝導性材料の全体に分散された結
合材料から成る。これらの材料は、結合して予め定めた
レベルの熱伝導率を提供する。本実施例において、熱伝
導材料は窒化硼素のようなセラミック材料を含む。
【０００８】本発明の別の一面から見れば、上記の全般
的説明および以下の詳細説明は、単に本発明の例を示す
ものであり、請求する発明の性質および特質を御理解い
ただくための概要あるいは枠組みを提供することを意図
していることをご了承ただきたい。添付した図面は、本
発明をよりよくご理解いただくため目的で加えたもの
で、本明細書に組み込まれその一部を構成する。これら
の図面は、本発明の様々な特徴および実施例を図示する
もので、記述とともに本発明の原理と動作を説明する役
をする。
【０００９】
【発明の実施の形態】実施例に関する以下の説明は、単
に例を示すものであり、本発明、その応用ならびに使用
法を制限するものではない。
【００１０】図１に示すように、典型的なプラズマエッ
チングシステムの構成図の全体を１０で示す。プラズマ
エッチングシステム１０は、プラズマチャンバー１４に
収容されたシリコンウェーハ、その他の工作片（図示せ
ず）を食刻することができる。エッチングシステム１０
は、予め定めた電力レベル（たとえば、１キロワット）
における所定の周波数（たとえば、１３．５６メガヘル
ツ）の高周波電力を生成する高周波（ＲＦ）電力供給シ
ステム１２を備えていることが示されている。電力供給
システム１２の出力は電力管路を通してプラズマチャン
バー１４に結合されている。電力供給システム１２の出
力をより有効に制御するために、プローブヘッド１６と
プローブ分析システム１８が使用される。プローブヘッ
ドは、プローブヘッド１６に収容されている導体を流れ
る高周波電力に基づいてアナログ信号を生成する。プロ
ーブ分析システム１８は、アナログ信号を処理して電圧
の大きさ、電流の大きさ、相対位相デジタルデータなど
の有用なデータを作る。このデジタルデータを電力供給
システム１２はフィードバックとして使用することがで
きる。
【００１１】本発明はプラズマエッチングについて説明
するが、本発明はこれだけに制限されるものではないこ
とを銘記されたい。それどころか、高周波電力を使用す
るいかなるシステムも本発明の特徴によって利益をうけ
ることが可能である。具体例を挙げて以下で考察する。
【００１２】図２に、複数のプローブインタフェースの
詳細を示す。この実施例では、通常、電流プローブイン
タフェース２０と電圧プローブインタフェース２２が設
けられているが、ふたつのインタフェースを設ける必要
はないことが明らかであろう。具体的にいうと、電流プ
ローブインタフェース２０は、高周波電流２６をプラズ
マチャンバー１４に伝える導体２４を有している（図
１）。電流引き上げボード２８のようなセンシングボー
ドは、高周波電力２６に基づいてアナログ信号を生成す
る。電気絶縁ブッシング３０は、導体２４と電流引き上
げボード２８との間に配置されることが分かろう。ブッ
シング３０は熱伝導性があり、高周波電流２６から発生
する熱３２を放散する。導体２４内に熱を封じ込めるの
ではなく、熱伝導ブッシングを使って熱３２を放散させ
ることにより、熱安定性と全体的電力操作能力を著しく
向上する。
【００１３】同じように、電圧プローブインタフェース
２２は、導体２４、電圧引き上げボード２９、ブッシン
グ３０で構成されている。電圧引き上げボードも、高周
波電力２６に基づいてアナログ信号を生成する。アナロ
グ信号は磁気回路および/または容量性回路を含む様々
な方法で生成することができる。引例として紹介したゲ
リッシュその他に付与された米国特許５、７７０、９２
２号は、信号生成・処理の典型的な方法を詳細に記述し
ている。
【００１４】図３において、線図４４は、業界の需要と
技術の進歩に応じてウェーハサイズが増加するにつれ
て、要求される高周波電力の緩やかな増加を示してい
る。図４の線図４６は、本発明によって可能になった導
体温度の向上を表している。具体的には、テフロンの線
図４８は、高周波電力の増加に応じて導体温度が急速に
上昇していることを示している。一方、セラミックの線
図５０は、高周波電力が増加するにしたがってテフロン
の線図４８から著しくそれている。窒化硼素の誘電率は
４であり、これはテフロンの誘電率に比較的近いことに
注目されたい。このように、本発明は熱伝導性に関して
相当な利益を達成するため電気絶縁の面で払う犠牲はき
わめてわずかである。
【００１５】図６と図７は、本発明の効果を詳細に実証
している。具体的には、図６は、従来のインタフェース
３４であり、テフロンなどの材料で形成された熱伝導ブ
ッシング３６が導体２４と電流引き上げボード３８との
間に配置されている。この場合、熱３２はブッシング３
６の断熱特性によって主に導体内に封じ込められる。高
周波と電流が増加するにつれて、導体２４は、熱不安定
性が電流引き上げボード２８の測定動作に影響を与えは
じめる温度しきい値に近づいていく。一方、図７は、ブ
ッシング３０が熱伝導材料３８と熱伝導材料の全体に分
散させた結合材料４０を有する本発明の改良された方法
を示す。これらの材料３８、４０は、結合して予め定め
たレベルの熱伝導率を提供する。その結果、導体２４か
ら熱３２が放散するようになった。
【００１６】図５では、棒グラフ４２によって熱伝導率
の大きな差を示す。具体的に、現在最も好まれているセ
ラミックである、窒化硼素がケルビン目盛りの１度当た
り１ｍにつき約２７．３７ワットの熱伝導率を示し、一
方、テフロンはケルビン目盛りの１度当たり１ｍにつき
約０．４１ワットの熱伝導率を示すことが分かる。
【００１７】この文書では窒化硼素のようなセラミック
材料について考察してきたが、同様な相対熱伝導率、耐
電圧、誘電率を有するならば、いかなる固い素材でも使
用できることに注目していただきたい。やはり、半導体
産業の高周波と電流の要求に対処するにはセラミック材
料が非常に有効であることが実証された。
【００１８】以上の説明から、本発明の広義の教えが様
々な形で実施可能であるということを当業者には了解い
ただけたであろう。本発明は具体例を挙げて説明するこ
とが可能であるが、図面、明細書、以下の特許請求の範
囲を検討すれば、当業者には他の変形例も明白であるか
ら、本発明の真の範囲をあまり限定すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を理解するのに有用であるプラズマエッ
チングシステムの構成図。
【図２】本発明の原理にしたがうプローブインタフェー
スの分解斜視図。
【図３】本発明を理解するのに有用であるウェーハサイ
ズと要求される高周波電力との関係を示す図。
【図４】従来例のブッシングと本発明によるブッシング
のための高周波電圧と導体温度との関係を示す線図。
【図５】従来のブッシングと本発明によるブッシングの
ための熱伝導率を示すチャート。
【図６】従来のブッシングを使用したときの熱の流れを
示すプローブインタフェースの断面図。
【図７】本発明によるブッシングを使用したときの熱の
流れを示すプローブインタフェースの断面図。

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高周波（ＲＦ）プローブヘッド用のプロ
    ーブインタフェースであって、該インタフェースのアセ
    ンブリーは、 高周波電力をプラズマチャンバーに伝えるための導体
    と、 前記高周波電力に基づいてアナログ信号を生成するセン
    シングボードと、 前記導体と前記センシングボードとの間に置かれ、高周
    波電力から発生する熱を放散する熱伝導性と電気的絶縁
    性を有するブッシングと、 を有するインタフェース。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のインタフェースにおい
    て、前記ブッシングは熱伝導性材料と前記熱伝導性材料
    の全体に分散させた結合材料とから成り、これらの材料
    は、結合して予め定めたレベルの熱伝導率を提供するこ
    とを特徴とするインタフェース。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のインタフェースにおい
    て、前記熱伝導性材料は、セラミック材料から成るイン
    タフェース。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のインタフェースにおい
    て、前記セラミック材料は、窒化硼素からなるインタフ
    ェース。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載のインタフェースにおい
    て、前記結合材料は、硼酸カルシウムから成るインタフ
    ェース。
  6. 【請求項６】 請求項２に記載のインタフェースにおい
    て、前記予め定めたレベルの熱伝導率が、ケルビン目盛
    りの１度当たり１ｍにつき約２７ワットであるインタフ
    ェース。
  7. 【請求項７】 請求項２に記載のインタフェースにおい
    て、前記材料は、さらに結合して約４の誘電定数を提供
    するインタフェース。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載のインタフェースにおい
    て、前記センシングボードは、前記アナログ信号が高周
    波電力の電圧であることを特徴とする電圧引き上げボー
    ドであるインタフェース。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載のインタフェースにおい
    て、前記センシングボードは、前記アナログ信号が高周
    波電力の電流であることを特徴とする電流引き上げボー
    ドであるインタフェース。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載のインタフェースにお
    いて、前記熱放散により前記プラズマチャンバーに供給
    される高周波電力を増加させることができるインタフェ
    ース。
  11. 【請求項１１】 高周波（ＲＦ）プローブヘッドインタ
    フェース用のブッシングであって、該ブッシングは熱伝
    導性材料と前記熱伝導性材料の全体に分散させた結合材
    料とから成り、これらの材料は結合して予め定めたレベ
    ルの熱伝導率を提供することを特徴とするブッシング。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載のブッシングにおい
    て、前記熱伝導性材料はセラミック材料から成るブッシ
    ング。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載のブッシングにおい
    て、前記セラミック材料は窒化硼素から成るブッシン
    グ。
  14. 【請求項１４】 請求項１１に記載のブッシングにおい
    て、前記結合材料は、硼酸カルシウムから成るブッシン
    グ。
  15. 【請求項１５】 請求項１１に記載のブッシングにおい
    て、前記予め定めたレベルの熱伝導率が、ケルビン目盛
    りの１度当たり１ｍにつき約２７ワットであるブッシン
    グ。
  16. 【請求項１６】 請求項１１に記載のブッシングにおい
    て、前記材料は、さらに結合して約４の誘電定数を提供
    するブッシング。
  17. 【請求項１７】 高周波（ＲＦ）プローブヘッド用のプ
    ローブインタフェースであって、該インタフェースのア
    センブリーは、 高周波電力をプラズマチャンバーに伝えるための導体
    と、 前記高周波電力に基づいてアナログ信号を生成するセン
    シングボードと、 セラミック材料と、 前記セラミック材料の全体に分散させた結合材料と、 から成り、前記の材料は、結合して予め定めたレベルの
    熱伝導率を提供し、前記の材料は、前記導体と前記セン
    シングボードとの間に置かれる電気絶縁ブッシングを形
    成し、前記ブッシングは、前記高周波電力から発生する
    熱を放散する熱伝導性を有し、前記熱放射により前記プ
    ラズマチャンバーに供給される高周波電力を増加させる
    ことができるプローブインタフェース。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載のインタフェースに
    おいて、該セラミック材料は、窒化硼素から成るインタ
    フェース。
  19. 【請求項１９】 プラズマチャンバーに供給される高周
    波（ＲＦ）電力を測定する方法であって、 前記高周波電力を、導体を通して前記プラズマチャンバ
    ーに伝え、 センシングボードを使用して、前記高周波電力に基づい
    てアナログ信号を生成し、 前記導体と前記センシングボードとの間に、前記高周波
    電力から発生する熱を放散する熱伝導性を有する電気絶
    縁ブッシングを配置する、 方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１７に記載の方法は、さらに、
    熱伝導性材料を用意し、結合材料を、前記熱伝導性材料
    の全体に分散させ、前記材料が結合して予め定めた熱伝
    導率を提供するように前記材料を接着させることを含む
    方法。
  21. 【請求項２１】 請求項１８に記載の方法は、さらに、
    前記熱伝導性材料としてセラミック材料を使用するステ
    ップを含む方法。
  22. 【請求項２２】 請求項１９に記載の方法は、さらに、
    前記セラミック材料として窒化硼素を使用するステップ
    を含む方法。
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