JP2004536447A - 基板からチャックに熱を伝える方法並びに装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】下面を有する基板の処理の間基板（Ｗ）を支持するためのチャック方法並びに装置（５０，１５０，３００）である。この装置は、基板の処理の間に基板から外部への熱伝達を促進する。装置は、粗い上面（６４Ｕ）と外側エッジ（７０）とを備えたチャック本体（６０）を有する。基板は、基板の下面と粗い上面とがギャップ（１００）をこれらの間に形成するように、粗い面に近接して配置される。さらに、装置は、チャック本体を貫通した中心ガス導管（８０）を有する。この導管は、粗い上面に開口した第２の端部（８２ｂ）と、第２の端部の反対側で、ガス源（８６）に接続された第１の端部とを有する。導管は、ガスが、導管を通って前記ギャップに入り、前記チャック本体の外側エッジに向って流れるように配設されている。使用されるガスは、ヘリウムよりも大きい原子量もしくは分子量を有する。
【解決手段】下面を有する基板の処理の間基板（Ｗ）を支持するためのチャック方法並びに装置（５０，１５０，３００）である。この装置は、基板の処理の間に基板から外部への熱伝達を促進する。装置は、粗い上面（６４Ｕ）と外側エッジ（７０）とを備えたチャック本体（６０）を有する。基板は、基板の下面と粗い上面とがギャップ（１００）をこれらの間に形成するように、粗い面に近接して配置される。さらに、装置は、チャック本体を貫通した中心ガス導管（８０）を有する。この導管は、粗い上面に開口した第２の端部（８２ｂ）と、第２の端部の反対側で、ガス源（８６）に接続された第１の端部とを有する。導管は、ガスが、導管を通って前記ギャップに入り、前記チャック本体の外側エッジに向って流れるように配設されている。使用されるガスは、ヘリウムよりも大きい原子量もしくは分子量を有する。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板から、この基板を支持しているチャックに熱を伝える方法並びに装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、ディスプレイ、並びに他の形式の基板製造において、スループットを向上させることが、終わりの無い要求である。基板処理における多くの処理は、半導体ウエハのような基板をチャックの上に載置して基板を処理することを含んでいる。所定のこれら処理の間、基板は加熱され、この熱は、迅速に放散されることが必要である。この迅速な熱の放散は、高い処理ツールパワーレベルと次の処理工程の迅速な開始での処理に対して要求されている所定の制限内に基板を維持することを可能にしている。この両者によって、高い処理スループットと、基板に対する処理コストの低減とが可能になる。
【０００３】
半導体装置（例えば、集積回路、即ち、“ＩＣ”）もしくはディスプレイの製造のような基板を使用した処理の１つは、基板の表面上に材料を堆積させるか、基板から材料をエッチングするために、プラズマに基板を晒すことを含む。この処理の間に、基板に衝突する高エネルギーのプラズマ粒子は、多量の熱を発生し、この熱は、基板に吸収される。この熱は、基板からチャックに迅速に伝えられ、かくして、チャックから迅速に発散されて、基板が安定した温度に維持される、ことが必要である。基板からチャックへの熱の伝達が、もしくはチャック自身からの熱の発散が不充分もしくは不適当であると、基板の温度は、急激に増加する。基板内での熱の蓄積は、基板の構造物を破損するかもしれない（例えば、過度の熱は、半導体基板内でのドーパントの不要な拡散を生じさせて、トランジスタでリーク電流が生じるようになる。また、このような熱の蓄積は、有効な熱伝達メカニズムが無い場合に、プラズマ処理は、適当な処理生産を果たす（例えば、損傷された装置が少なくなるように）ためには(基板を冷却させることが可能なように)低いパワーレベルもしくは中断される方法で動作されなければならないので、ツールスループットに影響を及ぼす。プラズマ処理の間の基板の加熱の制御は、また、基板温度がエッチング処理自体（例えば、ホトレジストなどの対するエッチングの選択性）に悪影響を与えるので、重要である。
【０００４】
図１は、低圧雰囲気内に基板Ｗを支持するための従来のチャック装置１０を概略的に示す図である。このチャック１０は、上面１４を有するチャック本体１２と、このチャック本体内に形成され、ヘリウムガス(図示せず)から前記上面１４に導通した導管１６とを備えている。基板の処理の間、ヘリウムガス１８は、導管１６内へと供給され、基板Ｗの方向に流れる。ウエハの上方の低圧の雰囲気と、チャック面１４の粗さによりガスギャップがチャック面１４と基板Ｗの下面との間に形成されることにより、ヘリウムガスは、ウエハとチャックとの間に導入される。このギャップは、代表的には２ないし３ミクロンの幅である平均ガス幅δを有する低圧ガスギャップ３０だけ基板とチャック本体とを離す。このようにして、基板Ｗは、チャックの上面１４と基板Ｗの下面との間を流れるヘリウムガス１８に晒される。ギャップ３０の中に射出されたヘリウムガスは、基板Ｗの外エッジに向かうように流れる。このように、ヘリウムガスがギャップ３０内にあるので、熱は、基板からチャック（矢印３２により示されるように）へと伝達されることが可能になる。このような熱伝達メカニズムは、低圧ガスギャップ伝導として知られ、半導体産業で広く使用されている。ヘリウムガスは、これが不活性で高い熱伝導性（水素のみが高い熱伝導性を有する）ので、熱伝達を果たすために使用される。
【０００５】
一般的な雰囲気の(例えば、高い)圧力での熱伝導の場合とは異なり、低圧状態のもとでは、ガス表面エネルギー変換の程度（かくして、冷却の効果）は、ガスの熱伝導性に加えて、いわゆる適応係数αにより特徴付けられる。
【０００６】
低圧（即ち、１０ないし５０Ｔｏｒｒ以下のオーダ）のガスギャップ伝導は、多くの形式の処理設備での冷却のために使用されている。例えば、ほとんどのエッチングツールでは、基板と下側電極との間にギャップがある。このギャップは、低圧のヘリウムもしくはアルゴンが充填され、基板を冷却するために使用されている。所定の方向にヘリウムもしくはアルゴン流を導くために、チャックの上面もしくは基板の下面にある種々のチャンネルが使用され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
基板とチャックとの間の低圧ガスギャップのための熱伝導の熱流束ｑ“が、熱伝達係数ｈｇと、基板とチャックとの近接面間の温度差ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｃとの積、即ち、ｑ“＝ｈｇΔＴにより与えられる。一般的に、チャックの温度は、これの冷却システムにより制御される。一方、基板の温度は、高処理歩留りを維持するように望まれていることと、基板に形成されるデバイスのタイプとにより拘束されている。
【０００８】
本発明は、基板から、この基板を支持しているチャックに熱を伝える方法並びに装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、粗いチャック上面を利用し、付加的に、アルゴンよりも原子量／分子量が重いガスを利用する。例えば、表面は、０．４μm以上の粗さ（Ｒａ）を有し得る。代わって、粗さ（Ｒａ）は、０．４ないし約１０μm、もしくは１ないし４μmでも良い。粗さは、チャック上面と基板との間の温度差が、最小の５％，２％または１％以内，もしくは最小となるように、され得る。また、粗さは、ガス平均自由行程λに対する適応係数αの比が最大、もしくは最大の１％，２％または５％以内になるようにされ得る。本発明は、付加的に、例えば、１μm以下のＲａの表面粗さを有する下面を備えた基板を与えることができる。
【００１０】
従って、本発明の第１の態様は、上面と下面とを有する基板を、基板の上面の処理の間に基板からの熱の伝達を促進するように、支持するためのチャック装置である。この装置は、粗い上面と外側エッジとを有するチャック本体を有する。シリコンウエハやデイスプレイ基板等で良い前記基板は、基板の下面とチャック本体の粗い上面とがこれらの間にギャップを形成するように、粗い表面に近接して配置される。さらに、この装置は、チャック本体を貫通するガス導管を具備する。この導管は、前記粗い上面に開口した第１の端部と、この第１の端部と反対側の第２の端部とを有する。また、この導管は、ガスが、導管を通って前記ギャップに入り、前記チャック本体の外側エッジに向って流れることができるよう、配設されている。
【００１１】
本発明の第２の態様は、上述したような装置ではあるが、上面に表面粗さの異なる領域を有する。
【００１２】
本発明の第３の態様は、熱伝達量を空間的に変えることができるように、異なる種類のガスがギャップ内の互いに異なる領域に射出されることを可能にするように、異なるガス源に接続され得る複数のガス孔を有する、上述したような装置である。複チャンネルガスミクスチャが、ガスを効率的に混合し、ギャップの中にガス（混合されたか、そうでないもの）を射出させるために使用され得る。さらに、異なるガス源と複チャンネルガスミクスチャとに電気的に接続された主制御ユニットが、基板からチャック本体への熱伝達を調整するように、ギャップ中へのガスの流れを動的に変えることを可能にしている。
【００１３】
本発明の第４の態様は、基板からチャック本体への熱の伝達を促進させる方法である。この方法は、上面を粗い面とする第１の工程を有する。この表面粗さは、表面全体に渡って均一でも異なる領域の形態で空間的に変化していても良い。代わって、表面粗さは、位置の関数として、例えば、表面の中心から径方向外側に向うのに従って減じるように、スムースに変化していても良い。次の工程は、基板を前記粗い上面に近接させることにより、基板の下面と前記粗い上面との間にギャップを形成することである。そして、最後の工程は、ガスが、前記外側エッジに向って流れるように、前記ギャップの中に少なくとも１種類のガスを流すことを含む。ギャップの中を流れるガス（混合ガスで良い）は、アルゴンよりも大きい原子量もしくは分子量を、かくして、高い比α／λを有することができる。ここで、αは、表面の適応係数であり、λは、ガス平均自由行程である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、基板から、この基板を支持しているチャックに熱を伝える方法並びに装置に関する。
【００１５】
チャック装置において基板からチャック本体への熱伝達量を増すために、熱伝達係数ｈｇが大きくされ得る。低圧において、熱伝達係数ｈｇは、実際には、ガス並びに固体面の原子並びに／もしくは分子と、使用されるガスの圧力と、ギャップを規定する表面の状態(例えば、粗さもしくはコンタミネーション)を含む他のパラメータのかなり複雑な関数である。
【００１６】
熱伝達係数ｈｇでの上記影響を考慮して、物理的ギャップ幅δよりも大きい有効ギャップ幅δ’導入されている。図２は、ガスギャップの有効幅δ’が物理的ギャップ幅δとギャップ内の温度とに関連している既知の状態を示す。ガスの圧力が高く、δ＞＞λ、ここで、λは気体平均自由行程(即ち、ガスの原子もしくは分子間の振動の平均的な距離)であると、温度は、幅さδのギャップを形成する面間の位置の一次関数である。このような状態のもとで、温度差はΔＴ、温度プロファイル曲線の傾斜は、ΔＴ／δ、そして熱流束は、ｑ“＝ｈｇΔＴ＝ｋΔＴ／δである。しかし、ガスギャップ内の圧力が、代表的な基板とチャックとの間のガスギャップの場合にはδ〜λもしくはδ＜λのような値まで低くされ、熱流束ｑ”が同じに維持されていると、温度差ΔＴは、曲線Ｃ１並びにＣ２により示されるようにかなり大きくなる。線形プロファイルからの、固体壁の近くでの温度プロファイルの偏差は、“温度ジャンプ(temperature jump)”と称されている。これは、固体壁とガスの原子量並びに／もしくは分子量と、壁面の粗さと、低いガス圧との影響の結果であり、これらは、全て熱伝達係数を減じる。
【００１７】
図２をさらに参照すると、熱伝達路の有効長さは、また、温度ジャンプ(即ち、急な温度勾配)により、長くなり、δ‘＝δ＋ｇ１＋ｇ２の有効ガスギャップとなる。ここで、ｇ１、ｇ２は、“温度ジャンプ距離（temperature jump distance）と称されている。この温度ジャンプ距離ｇ１のサイズは、各気体−固体境界での適応係数αｉに依存する。この適応係数は、α＝［Ｔscat−Ｔｇ］／［Ｔｓ−Ｔｇ］として規定されている。ここで、Ｔｓは、固体面の温度、Ｔｇは、衝突前のガスの温度、そして、Ｔscatは、固体面に衝突した後の散乱されたガスの温度である。熱伝達は、ガスが自身の温度を固体壁の温度と”充分に適用する(fully accommodate)ことを意味するＴscat＝Ｔｓのときに、最も有効である。この場合には、α＝１である。一般的には、α＜１で、ほぼ０．０１ないし１．０であり、ガスの圧力と、ガス並びに壁の化学種の原子量並びに／もしくは分子量と、固体面の状態(例えば、粗さ並びにコンタミネーション)とに依存する。
【００１８】
軽い単原子のガスは、比較的小さい適応係数を有し、分子のガスは、比較的大きい適応係数を有し、また、あるポイントまでは、クリーンもしくは平滑（スムーズ）な表面は、コンタミンされたもしくは粗い表面よりも低い適応係数を有する。ある取り扱いの後、λ＞＞δのときの低い圧力の制限において、温度ジャンプ距離は、ｇｉ≒λ／αとなるように示され得、また、有効ガスギャップ幅は、δ‘≒２λ／αとなる。熱伝達係数(伝導係数)は、また、ｈｇ＝ｋｇ／δ’≒ｋα／２λとなり、ガスの伝導率の単なる関数ではなく、比α／λの非常に強い(strong)となる。実際に、所定の粗さ固体面の存在で、所定の圧力のもとで、ヘリウムと比較して低い伝導率ｋｇを有するガスに対する比α／λは、全体の熱伝達係数ｈｇが同様のガス状態（ギャップ距離並びにガス圧力）のもとでのヘリウムの全体の熱伝達係数よりも大きくさせるように、なることが判っている。
【００１９】
第１の実施の形態
図３には、チャック装置５０の第１の実施の形態が示されている。このチャック装置は、下面ＷＬと上面ＷＵとを有する基板Ｗを、基板処理の間に熱の高められたギャップ状態を与えるように、支持する。例えば、下面ＷＬは、ANSI stndard ANSI−b４６．１−１９８５により規定されているような平均粗さＲａが１μｍ以上になるように、粗くされ得る。チャック装置５０は、排気された内側領域５６を有するチヤンバ５４内のような低圧雰囲気内に位置されている。このチャック装置５０は、チャック本体６０を有する。このチャック本体６０は、粗い上面６４Ｕ並びに下面６４Ｌを備えた上部６４を有し、必ずしも必要ではないが、前記下面６４Ｌから延出され、上端６８Ｕと下端６８Ｌとを有する基部６８を有し得る。前記上面６４Ｕは、ANSI stndard ANSI−b４６．１−１９８５により規定されているような、０．４μｍ以上の粗さＲａを有する。この上面６４Ｕの粗さＲａは、０．４ないし約１０μｍもしくは約１ないし約４μｍで良い。前記上部６４と基部６８とは、円筒形もしくは他の形状で良い。この基部６８は、代表的には、上部６４よりも細くかつ長い。かくして、チャック本体６０は、中心軸Ａを有するＴ字形状の断面を有する。基部６８は、下面６４Ｌに取着された別部材であっても良いし、また、上部６４と一体的でも良い。上部は、外側エッジ７０を有する。チャック本体６０（もしくは少なくとも上部６４）は、代表的には、アルミニウム、ステンレス鋼、もしくは熱伝導性が良く、チャンバ処理に適した材料で形成されている。前記上面６４Ｕは、“チャック本体上面”として、ここでは一般的に述べられている。
【００２０】
前記チャック本体６０は、中心軸Ａに沿ってアラインメントされ、円筒状の上部６４と円筒状の下部６８とを貫通した中心のガス導管８０を有する。この導管８０は、前記下端６８Ｌで開口した第１の端部８２ａと、前記上面６４Ｕで開口した第２の端部８２ｂとを有する。
【００２１】
前記チャック装置５０は、また、ガスライン９０を介して、第１の端部８２ａでガス導管８０に接続されたガス源８６を有する。このガス源８６は、チャンバ５４の外に示されているけれども、中にあっても良い。
【００２２】
また、チャック装置は、前記ガス源８６に電気的に接続され、熱伝達プロセスを制御するように、ガス源からのガスの吐出量を動的(dynamically)に制御するために使用される主制御ユニット９２を有する。一実施の形態において、この主制御ユニット９２は、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）とリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）との両方を備えたメモリーユニットＭＵと、中央処理ユニットＣＰＵ（例えば、Intel CorporationからのPENTIUM(商標名)）と、ハードディスクＨＤとを有し、これらは、電気的に接続されている。ハードディスクＨＤは、二次的なコンピュータ読取り可能ストレッジ媒体として機能し、例えば、以下に説明するように、熱伝達の制御によって基板温度の均一性を制御する主制御ユニットのための指令に対応した情報をストアするハードディスクドライブで良い。前記主制御ユニット９２は、また、ハードディスクＨＤに電気的に接続されたディスクドライブＤＤと、メモリーユニットＭＵと、中央処理ユニットＣＰＵを有し得る。このディスクドライブは、本発明を実施する主制御ユニット９２のための指令に対応した情報がストアされたフロッピーディスクもしくはコンパクトディスク（ＣＤ）のようなコンピュータ読取り可能媒体ＣＲＭをアクセス並びに読取り可能である。また、主制御ユニット９２は、データ収集並びに制御能力を有していることが好ましい。主制御ユニット９２は、TexasのDallasにあるDell Corporationから入手可能なDELL PRECISION WORKSTATION ６１０（商標名）のようなコンピュータと複数の周辺機器とを有する。
【００２３】
前記基板Ｗの下面ＷＬは、処理の間は前記上面６４Ｕ近くに配設される。ガス源８６からのガス９４は、第１の端部８２ａから第２の端部８２ｂへと中心ガス導管８０を通って流れ、そして、基板の下面ＷＬと上面６４Ｕとの間を外側エッジ７０に向かって流れる。内側領域５６の低圧雰囲気内でのガス９４の流れによって、基板の下面ＷＬとチャック本体６０の上面６４Ｕとの間に幅δの低圧ギャップ１００が形成される。
【００２４】
前に説明したように、比α／λが大きくなるのに従って熱伝達係数が大きくなり、かくして、ギャップ１００を通る、基板Ｗとチャック本体６０の円筒状の上部６４との間の熱流束が大きくなる。この熱流束は、矢印９８で示されている。ギャップ１００中へのガス９４の流れは、基板Ｗとチャック本体６０との間の熱伝達を制御するための主制御ユニット９２により、動的に制御され得る。
【００２５】
前記上面６４Ｕの表面粗さは、ガスの平均自由行程λに対する適応係数αの比α／λが、最大値、もしくは最大値の１％，２％もしくは５％となるように、選定され得る。この表面粗さの程度は、ガス原子/分子と、基板並びにチャックの面との間のエネルギー変換効率に影響を与える。粗い面とガス原子/分子との間の相互作用は、平滑な面での相互作用と比較してより非弾性衝突のようにであり、このことは、より多くのエネルギーがガス原子/分子と面との間で変換されることを意味している。かくして、1もしくは複数の粗い面（即ち、上面６４Ｕ並びに／もしくは下面ＷＬ）を使用することにより、適応係数αが大きくなり、かくして、比α／λが大きくなる。この結果、ガス分子と基板並びにチャックの面との間の熱変換がより効率良くなる。表面粗さは、上面６４Ｕ全体に渡って均一にしても、表面粗さの種々の領域(後述する)を有していても、また、なだらかに(smoothly)に変化（例えば、径方向外方に向かうのに従って減じるから、中心軸Ａから増加するか）しても良い。
【００２６】
表面粗さの程度は、使用されるガスに対応している。従来技術のチャックにおいて、上面１４は、ミラー研磨(mirror polish)されており、このことは、粗さが０．１ないし０．４μｍより一般的には小さいことを意味する。上面６４Ｕの粗さが異なるチャックが、テストされ得る。チャック面と基板との間の温度差ΔＴを減じるものが使用され得る。例えば、温度差を最少にするか、最少値の５％，２％もしくは１％にするチャックの表面粗さが、選定され得る。チャックが、同じパワーの設定でテストされなければならず、ウエハとチャックとの温度が、例えば、熱電対もしくは蛍光透視温度センサーを使用して測定され得る。一般に、熱伝達係数ｈｇが高くなる(例えば、温度差ΔＴがおおきくなる)限りは、α、もしくはλでさえも見つけて知る必要はない。ガスを交換するときには、一般的に、上記方法が繰替えされる必要があり、また、異なる粗さが選定され得る。チャックの上面は、所望の粗さを得るように、適当なサイズのグリットで研磨される。
【００２７】
前記ガス源８６により供給されるガス９４は、ヘリウムもしくはアルゴンであるか、ヘリウムもしくはアルゴンよりも大きい原子量もしくは分子量のものか、ガスの混合物である。上記単原子ガスの例は、ネオン、アルゴン、クリプトン並びにキセノンの希ガスを含む。また、分子性ガスの例は、Ｃ４Ｆ８，ＳＦ６，Ｃ５Ｆ８，Ｃ２Ｆ６のようなエッチング処理で一般に使用されているものを含む。
【００２８】
第２の実施の形態
図４並びに図５には、本発明の第２の実施の形態として、基板Ｗを支持する第２のチャック装置１５０が示されている。表面６４Ｕに平行なギャップ１００のｘ−ｙ平面は、向きの助けのために示されている。チャック装置１５０は、このチャック装置１５０が、以下に説明する幾つかの形態を有する以外は、上述したチャック装置５０と実質的に同じである。チャック装置５０のと同じチャック装置１５０の部材は、同じ参照符号が付されている。また、チャック装置１５０は、チャンバが図４並びに図５には示されていないけれども、低圧雰囲気になっている。
【００２９】
かくして、チャック装置１５０は、チャック５０と同じ部材を有し、さらに、互いに同心的なガスリング１６２ａ，１６２ｂに配設され、上面６４Ｕに形成された複数のガス射出孔１６０を有する。代わって、これら孔１６０は、チャックの中心から放射状に配設されても良い。各同心ガスリング１６２ａ，１６２ｂは、上面６４Ｕと下面６８Ｌとを接続する対応したガスリング導管１６６ａ，１６６ｂと流体的に連通している。かくして、ガス射出孔１６０は、上面６４Ｕの所での、導管１６６ａ，１６６ｂの一端の開口である。２つの同心ガスリングと２つの対応したガス導管とが、説明のために示されているけれども、実際には、１もしくはこれ以上の同心ガスリングとガス導管とが使用され得る。
【００３０】
前記チャック装置１５０は、付加的に、二次ガス源１８６Ａ，１８６Ｂ（即ち、ガス源８６が第１、即ち、主ガス源の場合には、第２並びに第３のガス源）を有する。これらガス源は、ガス射出孔１６０を介して上面６４Ｕに第２並びに第３のガス１９４Ａ，１９４Ｂを供給するために、夫々のガス供給ライン１９０Ａ，１９０Ｂを介して対応するガス導管１６６ａ，１６６ｂに流体的に接続されている。かくして、上面６４Ｕは、第１のガス源８６からガス９４を受け、ガス源１８６Ａから第２のガス１９４Ａを受け、そして、第３のガス源１８６Ｂから第３のガス１９４Ｂを受ける。これら第２並びに第３のガス１９４Ａ，１９４Ｂハ、ヘリウムもしくはアルゴンでも良く、各々がヘリウムもしくはアルゴンよりも大きい平均原子／分子量を有しているものでも良く、また、混合ガスでも良い。
【００３１】
さらに図４並びに図５に示すように、チャック装置１５０は、１もしくは複数の異なる混合ガスを導管８０，１６６ａ，１６６ｂを介して上面６４Ｕに供給するために、ガス源８６，１８６Ａ，１８６Ｂの何れかもしくは全てに接続された複チャンネルガスミクスチャ２００を有する。この結果、チャック装置１５０は、ギャップ１００内に異なる体積領域Ｚｉ(例えば、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３)を有することができる。これら体積領域内で前記比（ｋα／λ）ｉは、ギャップ１００内のこれら異なる領域に異なる成分の混合ガスが導入されるので、夫々異なる。かくして、このような形態のチャック装置１５０は、ギャップ１００内のｘ−ｙ方向での熱伝達係数を特に異ならせることができる。この結果、基板Ｗの温度均一性を制御することができる。このような形態は、特に異なる方法で基板を加熱する処理に対して特に有用である。
【００３２】
チャック装置１５０において、主制御ユニット９２は、第１のガス源８６と、二次ガス源１８６Ａ，１８６Ｂと、複チャンネルガスミクスチャ２００とに電気的に接続されている。この結果、基板Ｗからチャック本体６０への熱伝達を制御するように、ギャップ中への混合ガスの流れを制御することと、これらガス源からの混合ガスのダイナミックな制御とが可能になっている。
【００３３】
第３の実施の形態
図６は、本発明のチャック装置３００の平面図である。半径座標ｒが参照のために示されている。このチャック装置３００は、図４並びに図５に関連して上述されたチャック装置１５０に最も良く一致している。これらチャック装置１５０とチャック装置３００との間の相違は、チャック装置３００の上面６４Ｕが夫々異なる表面粗さσｉ（例えば、夫々σ１，σ２，σ３）の環状領域Ｒｉ（例えば、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）を有することである。これら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、各々がチャック装置１５０と関連して説明されたような複数のガス孔１６０を有する同心ガスリング１６２ａ，１６２ｂにより規定され得る。このチャック装置３００において、領域Ｒｉに対応した異なる領域Ｚｉでのガスの平均自由行路λに対する適応係数αの比α／λは、次の２つのファクターによって非常に異なる。第１のファクターは、上面６４Ｕの領域Ｒｉに対応した異なる領域Ｚｉ中へ射出される異なるガスである。第２のファクターは、ことなる表面粗さσｉの領域Ｒｉである。表面粗さσ１，σ２，σ３のための例示的値は、２，８，１６μｍである。かくして、領域Ｚｉでのガスギャップ状態による熱伝達は、非常に異なり、の場合よりもさらに異なる。かくして、このチャック装置３００は、基板Ｗを冷却し、基板の温度均一性を制御するためのより汎用性のあるシステムを提供する。前記領域Ｚｉは、温度均一性の制御の必要性に応じて多くても少なくても良い。
【００３４】
前記第２並びに第３の実施の形態の複チャンネルガスミクスチャ２００は、主ガス源８６並びに二次ガス源１８６Ａ，１８６Ｂからの２以上のガスから成分ガスを成分が異なる混合ガスへと混合するように使用される。上述されかつ図４並びに図５に示されたような３つのガス源の使用は、説明のためであり、如何なる道理にかなった数のガス源が、混合ガスの広い変更を達成するように、ガスミクスチャ２００に接続され得ることは、当業者にとって自明であろう。本発明において、異なる値のｋα／λを有する２つ以上の異なるガスが、広い範囲のｋα／λ、かくして広い範囲の熱伝達係数を有する混合ガスが達成され得るように、使用され得る。例えば、ヘリウムは、第１の混合ガスのために使用され得、一方、Ｃ４Ｆ８またはＳＦ６のような重い処理ガス、もしくはキセノンのような重い不活性原子ガスが第２の混合ガスのために使用され得る。前記複チャンネルガスミクスチャ２００は、低い値(例えば、純ヘリウムガスのため)と高い値(例えば、純重いガスのため)との間の熱伝達係数を有する２（もしくはこれ以上）種のガスの混合物を提供することができる。
【００３５】
チャック装置１５０の上面６４Ｕの粗さ、即ち領域Ｒｉの粗さは、基板Ｗの処理の間は、容易には変更されない。表面粗さ値（σ１もしくはσ２）で得られる熱伝達係数の範囲と、混合ガスの成分の範囲とは、充分には広くはないので、チャック本体６０の円筒状の上部６４が、異なる粗さσ１もしくはσ２を有する他の上部と交換され得る。この結果、異なる範囲の熱伝達係数を得ることができる。
【００３６】
後の２つの実施の形態のいずれにおいても、互いに異なる領域Ｒｉは、基板の加熱に対応した形状にすることができる。例えば、基板処理が、基板の径方向加熱生じさせる場合には、上述したような環状の領域Ｒｉが最も効果的であることを証明できる、しかし、特に、基板の加熱分布が非半径方向である場合には、他の形状が使用され得る。また、上述されたように、表面粗さσが、複数の分離された領域Ｒがあるのではなく、σが連続的に変化する１つの領域があるように、位置の平滑関数（smooth function of position）（即ち、σ（ｘ，ｙ）もしくはσ（ｒ）であり、ここで、ｒは半径方向の値（ｘ２＋ｙ２）１／２である）であり得る。
【００３７】
本発明の多くの態様と効果とが、詳述された明細書が明らかであり、かくして、本発明の真の精神並びに範囲内で記載された方法の態様と効果との全てをカバーするように、請求項により意図されている。さらに、多くの変更と交換とが、この分野の者にとって容易になされるであろうから、図示並びに説明されただけの構造と動作に本発明は制限されることは望まれていない。従って、全ての適当な変更と等価とが、請求された本発明の精神並びに範囲を逸脱しないで考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】チャックに支持されている基板を冷却するために使用されるヘリウムガスの流れを示す、従来のチャック装置の概略的な断面図である。
【図２】基板とチャックとの間のギャップでの温度分布とガスギャップの有効厚さとを示す、温度Ｔとガス幅との既知の関係を示すプロット図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係わるチャック装置の概略的な断面図である。
【図４】チャックの上面に１もしくは複数種のガスを供給するための複数のガス射出孔を有する互いに同心的なガスリングを示す、本発明の第２の実施の形態に係わるチャック装置の斜視図である。
【図５】基板からチャック本体への熱伝達を制御するようにギャップ中へのガス流を動的に制御するための主制御ユニットを示す、図４のチャック装置の概略的な断面図である。
【図６】同心的なガスリングと異なる表面粗さの領域とを示す、本発明の第３の実施の形態に係わるチャック本体の上面の平面図である。
【０００１】
本発明は、基板から、この基板を支持しているチャックに熱を伝える方法並びに装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、ディスプレイ、並びに他の形式の基板製造において、スループットを向上させることが、終わりの無い要求である。基板処理における多くの処理は、半導体ウエハのような基板をチャックの上に載置して基板を処理することを含んでいる。所定のこれら処理の間、基板は加熱され、この熱は、迅速に放散されることが必要である。この迅速な熱の放散は、高い処理ツールパワーレベルと次の処理工程の迅速な開始での処理に対して要求されている所定の制限内に基板を維持することを可能にしている。この両者によって、高い処理スループットと、基板に対する処理コストの低減とが可能になる。
【０００３】
半導体装置（例えば、集積回路、即ち、“ＩＣ”）もしくはディスプレイの製造のような基板を使用した処理の１つは、基板の表面上に材料を堆積させるか、基板から材料をエッチングするために、プラズマに基板を晒すことを含む。この処理の間に、基板に衝突する高エネルギーのプラズマ粒子は、多量の熱を発生し、この熱は、基板に吸収される。この熱は、基板からチャックに迅速に伝えられ、かくして、チャックから迅速に発散されて、基板が安定した温度に維持される、ことが必要である。基板からチャックへの熱の伝達が、もしくはチャック自身からの熱の発散が不充分もしくは不適当であると、基板の温度は、急激に増加する。基板内での熱の蓄積は、基板の構造物を破損するかもしれない（例えば、過度の熱は、半導体基板内でのドーパントの不要な拡散を生じさせて、トランジスタでリーク電流が生じるようになる。また、このような熱の蓄積は、有効な熱伝達メカニズムが無い場合に、プラズマ処理は、適当な処理生産を果たす（例えば、損傷された装置が少なくなるように）ためには(基板を冷却させることが可能なように)低いパワーレベルもしくは中断される方法で動作されなければならないので、ツールスループットに影響を及ぼす。プラズマ処理の間の基板の加熱の制御は、また、基板温度がエッチング処理自体（例えば、ホトレジストなどの対するエッチングの選択性）に悪影響を与えるので、重要である。
【０００４】
図１は、低圧雰囲気内に基板Ｗを支持するための従来のチャック装置１０を概略的に示す図である。このチャック１０は、上面１４を有するチャック本体１２と、このチャック本体内に形成され、ヘリウムガス(図示せず)から前記上面１４に導通した導管１６とを備えている。基板の処理の間、ヘリウムガス１８は、導管１６内へと供給され、基板Ｗの方向に流れる。ウエハの上方の低圧の雰囲気と、チャック面１４の粗さによりガスギャップがチャック面１４と基板Ｗの下面との間に形成されることにより、ヘリウムガスは、ウエハとチャックとの間に導入される。このギャップは、代表的には２ないし３ミクロンの幅である平均ガス幅δを有する低圧ガスギャップ３０だけ基板とチャック本体とを離す。このようにして、基板Ｗは、チャックの上面１４と基板Ｗの下面との間を流れるヘリウムガス１８に晒される。ギャップ３０の中に射出されたヘリウムガスは、基板Ｗの外エッジに向かうように流れる。このように、ヘリウムガスがギャップ３０内にあるので、熱は、基板からチャック（矢印３２により示されるように）へと伝達されることが可能になる。このような熱伝達メカニズムは、低圧ガスギャップ伝導として知られ、半導体産業で広く使用されている。ヘリウムガスは、これが不活性で高い熱伝導性（水素のみが高い熱伝導性を有する）ので、熱伝達を果たすために使用される。
【０００５】
一般的な雰囲気の(例えば、高い)圧力での熱伝導の場合とは異なり、低圧状態のもとでは、ガス表面エネルギー変換の程度（かくして、冷却の効果）は、ガスの熱伝導性に加えて、いわゆる適応係数αにより特徴付けられる。
【０００６】
低圧（即ち、１０ないし５０Ｔｏｒｒ以下のオーダ）のガスギャップ伝導は、多くの形式の処理設備での冷却のために使用されている。例えば、ほとんどのエッチングツールでは、基板と下側電極との間にギャップがある。このギャップは、低圧のヘリウムもしくはアルゴンが充填され、基板を冷却するために使用されている。所定の方向にヘリウムもしくはアルゴン流を導くために、チャックの上面もしくは基板の下面にある種々のチャンネルが使用され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
基板とチャックとの間の低圧ガスギャップのための熱伝導の熱流束ｑ“が、熱伝達係数ｈｇと、基板とチャックとの近接面間の温度差ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｃとの積、即ち、ｑ“＝ｈｇΔＴにより与えられる。一般的に、チャックの温度は、これの冷却システムにより制御される。一方、基板の温度は、高処理歩留りを維持するように望まれていることと、基板に形成されるデバイスのタイプとにより拘束されている。
【０００８】
本発明は、基板から、この基板を支持しているチャックに熱を伝える方法並びに装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、粗いチャック上面を利用し、付加的に、アルゴンよりも原子量／分子量が重いガスを利用する。例えば、表面は、０．４μm以上の粗さ（Ｒａ）を有し得る。代わって、粗さ（Ｒａ）は、０．４ないし約１０μm、もしくは１ないし４μmでも良い。粗さは、チャック上面と基板との間の温度差が、最小の５％，２％または１％以内，もしくは最小となるように、され得る。また、粗さは、ガス平均自由行程λに対する適応係数αの比が最大、もしくは最大の１％，２％または５％以内になるようにされ得る。本発明は、付加的に、例えば、１μm以下のＲａの表面粗さを有する下面を備えた基板を与えることができる。
【００１０】
従って、本発明の第１の態様は、上面と下面とを有する基板を、基板の上面の処理の間に基板からの熱の伝達を促進するように、支持するためのチャック装置である。この装置は、粗い上面と外側エッジとを有するチャック本体を有する。シリコンウエハやデイスプレイ基板等で良い前記基板は、基板の下面とチャック本体の粗い上面とがこれらの間にギャップを形成するように、粗い表面に近接して配置される。さらに、この装置は、チャック本体を貫通するガス導管を具備する。この導管は、前記粗い上面に開口した第１の端部と、この第１の端部と反対側の第２の端部とを有する。また、この導管は、ガスが、導管を通って前記ギャップに入り、前記チャック本体の外側エッジに向って流れることができるよう、配設されている。
【００１１】
本発明の第２の態様は、上述したような装置ではあるが、上面に表面粗さの異なる領域を有する。
【００１２】
本発明の第３の態様は、熱伝達量を空間的に変えることができるように、異なる種類のガスがギャップ内の互いに異なる領域に射出されることを可能にするように、異なるガス源に接続され得る複数のガス孔を有する、上述したような装置である。複チャンネルガスミクスチャが、ガスを効率的に混合し、ギャップの中にガス（混合されたか、そうでないもの）を射出させるために使用され得る。さらに、異なるガス源と複チャンネルガスミクスチャとに電気的に接続された主制御ユニットが、基板からチャック本体への熱伝達を調整するように、ギャップ中へのガスの流れを動的に変えることを可能にしている。
【００１３】
本発明の第４の態様は、基板からチャック本体への熱の伝達を促進させる方法である。この方法は、上面を粗い面とする第１の工程を有する。この表面粗さは、表面全体に渡って均一でも異なる領域の形態で空間的に変化していても良い。代わって、表面粗さは、位置の関数として、例えば、表面の中心から径方向外側に向うのに従って減じるように、スムースに変化していても良い。次の工程は、基板を前記粗い上面に近接させることにより、基板の下面と前記粗い上面との間にギャップを形成することである。そして、最後の工程は、ガスが、前記外側エッジに向って流れるように、前記ギャップの中に少なくとも１種類のガスを流すことを含む。ギャップの中を流れるガス（混合ガスで良い）は、アルゴンよりも大きい原子量もしくは分子量を、かくして、高い比α／λを有することができる。ここで、αは、表面の適応係数であり、λは、ガス平均自由行程である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、基板から、この基板を支持しているチャックに熱を伝える方法並びに装置に関する。
【００１５】
チャック装置において基板からチャック本体への熱伝達量を増すために、熱伝達係数ｈｇが大きくされ得る。低圧において、熱伝達係数ｈｇは、実際には、ガス並びに固体面の原子並びに／もしくは分子と、使用されるガスの圧力と、ギャップを規定する表面の状態(例えば、粗さもしくはコンタミネーション)を含む他のパラメータのかなり複雑な関数である。
【００１６】
熱伝達係数ｈｇでの上記影響を考慮して、物理的ギャップ幅δよりも大きい有効ギャップ幅δ’導入されている。図２は、ガスギャップの有効幅δ’が物理的ギャップ幅δとギャップ内の温度とに関連している既知の状態を示す。ガスの圧力が高く、δ＞＞λ、ここで、λは気体平均自由行程(即ち、ガスの原子もしくは分子間の振動の平均的な距離)であると、温度は、幅さδのギャップを形成する面間の位置の一次関数である。このような状態のもとで、温度差はΔＴ、温度プロファイル曲線の傾斜は、ΔＴ／δ、そして熱流束は、ｑ“＝ｈｇΔＴ＝ｋΔＴ／δである。しかし、ガスギャップ内の圧力が、代表的な基板とチャックとの間のガスギャップの場合にはδ〜λもしくはδ＜λのような値まで低くされ、熱流束ｑ”が同じに維持されていると、温度差ΔＴは、曲線Ｃ１並びにＣ２により示されるようにかなり大きくなる。線形プロファイルからの、固体壁の近くでの温度プロファイルの偏差は、“温度ジャンプ(temperature jump)”と称されている。これは、固体壁とガスの原子量並びに／もしくは分子量と、壁面の粗さと、低いガス圧との影響の結果であり、これらは、全て熱伝達係数を減じる。
【００１７】
図２をさらに参照すると、熱伝達路の有効長さは、また、温度ジャンプ(即ち、急な温度勾配)により、長くなり、δ‘＝δ＋ｇ１＋ｇ２の有効ガスギャップとなる。ここで、ｇ１、ｇ２は、“温度ジャンプ距離（temperature jump distance）と称されている。この温度ジャンプ距離ｇ１のサイズは、各気体−固体境界での適応係数αｉに依存する。この適応係数は、α＝［Ｔscat−Ｔｇ］／［Ｔｓ−Ｔｇ］として規定されている。ここで、Ｔｓは、固体面の温度、Ｔｇは、衝突前のガスの温度、そして、Ｔscatは、固体面に衝突した後の散乱されたガスの温度である。熱伝達は、ガスが自身の温度を固体壁の温度と”充分に適用する(fully accommodate)ことを意味するＴscat＝Ｔｓのときに、最も有効である。この場合には、α＝１である。一般的には、α＜１で、ほぼ０．０１ないし１．０であり、ガスの圧力と、ガス並びに壁の化学種の原子量並びに／もしくは分子量と、固体面の状態(例えば、粗さ並びにコンタミネーション)とに依存する。
【００１８】
軽い単原子のガスは、比較的小さい適応係数を有し、分子のガスは、比較的大きい適応係数を有し、また、あるポイントまでは、クリーンもしくは平滑（スムーズ）な表面は、コンタミンされたもしくは粗い表面よりも低い適応係数を有する。ある取り扱いの後、λ＞＞δのときの低い圧力の制限において、温度ジャンプ距離は、ｇｉ≒λ／αとなるように示され得、また、有効ガスギャップ幅は、δ‘≒２λ／αとなる。熱伝達係数(伝導係数)は、また、ｈｇ＝ｋｇ／δ’≒ｋα／２λとなり、ガスの伝導率の単なる関数ではなく、比α／λの非常に強い(strong)となる。実際に、所定の粗さ固体面の存在で、所定の圧力のもとで、ヘリウムと比較して低い伝導率ｋｇを有するガスに対する比α／λは、全体の熱伝達係数ｈｇが同様のガス状態（ギャップ距離並びにガス圧力）のもとでのヘリウムの全体の熱伝達係数よりも大きくさせるように、なることが判っている。
【００１９】
第１の実施の形態
図３には、チャック装置５０の第１の実施の形態が示されている。このチャック装置は、下面ＷＬと上面ＷＵとを有する基板Ｗを、基板処理の間に熱の高められたギャップ状態を与えるように、支持する。例えば、下面ＷＬは、ANSI stndard ANSI−b４６．１−１９８５により規定されているような平均粗さＲａが１μｍ以上になるように、粗くされ得る。チャック装置５０は、排気された内側領域５６を有するチヤンバ５４内のような低圧雰囲気内に位置されている。このチャック装置５０は、チャック本体６０を有する。このチャック本体６０は、粗い上面６４Ｕ並びに下面６４Ｌを備えた上部６４を有し、必ずしも必要ではないが、前記下面６４Ｌから延出され、上端６８Ｕと下端６８Ｌとを有する基部６８を有し得る。前記上面６４Ｕは、ANSI stndard ANSI−b４６．１−１９８５により規定されているような、０．４μｍ以上の粗さＲａを有する。この上面６４Ｕの粗さＲａは、０．４ないし約１０μｍもしくは約１ないし約４μｍで良い。前記上部６４と基部６８とは、円筒形もしくは他の形状で良い。この基部６８は、代表的には、上部６４よりも細くかつ長い。かくして、チャック本体６０は、中心軸Ａを有するＴ字形状の断面を有する。基部６８は、下面６４Ｌに取着された別部材であっても良いし、また、上部６４と一体的でも良い。上部は、外側エッジ７０を有する。チャック本体６０（もしくは少なくとも上部６４）は、代表的には、アルミニウム、ステンレス鋼、もしくは熱伝導性が良く、チャンバ処理に適した材料で形成されている。前記上面６４Ｕは、“チャック本体上面”として、ここでは一般的に述べられている。
【００２０】
前記チャック本体６０は、中心軸Ａに沿ってアラインメントされ、円筒状の上部６４と円筒状の下部６８とを貫通した中心のガス導管８０を有する。この導管８０は、前記下端６８Ｌで開口した第１の端部８２ａと、前記上面６４Ｕで開口した第２の端部８２ｂとを有する。
【００２１】
前記チャック装置５０は、また、ガスライン９０を介して、第１の端部８２ａでガス導管８０に接続されたガス源８６を有する。このガス源８６は、チャンバ５４の外に示されているけれども、中にあっても良い。
【００２２】
また、チャック装置は、前記ガス源８６に電気的に接続され、熱伝達プロセスを制御するように、ガス源からのガスの吐出量を動的(dynamically)に制御するために使用される主制御ユニット９２を有する。一実施の形態において、この主制御ユニット９２は、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）とリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）との両方を備えたメモリーユニットＭＵと、中央処理ユニットＣＰＵ（例えば、Intel CorporationからのPENTIUM(商標名)）と、ハードディスクＨＤとを有し、これらは、電気的に接続されている。ハードディスクＨＤは、二次的なコンピュータ読取り可能ストレッジ媒体として機能し、例えば、以下に説明するように、熱伝達の制御によって基板温度の均一性を制御する主制御ユニットのための指令に対応した情報をストアするハードディスクドライブで良い。前記主制御ユニット９２は、また、ハードディスクＨＤに電気的に接続されたディスクドライブＤＤと、メモリーユニットＭＵと、中央処理ユニットＣＰＵを有し得る。このディスクドライブは、本発明を実施する主制御ユニット９２のための指令に対応した情報がストアされたフロッピーディスクもしくはコンパクトディスク（ＣＤ）のようなコンピュータ読取り可能媒体ＣＲＭをアクセス並びに読取り可能である。また、主制御ユニット９２は、データ収集並びに制御能力を有していることが好ましい。主制御ユニット９２は、TexasのDallasにあるDell Corporationから入手可能なDELL PRECISION WORKSTATION ６１０（商標名）のようなコンピュータと複数の周辺機器とを有する。
【００２３】
前記基板Ｗの下面ＷＬは、処理の間は前記上面６４Ｕ近くに配設される。ガス源８６からのガス９４は、第１の端部８２ａから第２の端部８２ｂへと中心ガス導管８０を通って流れ、そして、基板の下面ＷＬと上面６４Ｕとの間を外側エッジ７０に向かって流れる。内側領域５６の低圧雰囲気内でのガス９４の流れによって、基板の下面ＷＬとチャック本体６０の上面６４Ｕとの間に幅δの低圧ギャップ１００が形成される。
【００２４】
前に説明したように、比α／λが大きくなるのに従って熱伝達係数が大きくなり、かくして、ギャップ１００を通る、基板Ｗとチャック本体６０の円筒状の上部６４との間の熱流束が大きくなる。この熱流束は、矢印９８で示されている。ギャップ１００中へのガス９４の流れは、基板Ｗとチャック本体６０との間の熱伝達を制御するための主制御ユニット９２により、動的に制御され得る。
【００２５】
前記上面６４Ｕの表面粗さは、ガスの平均自由行程λに対する適応係数αの比α／λが、最大値、もしくは最大値の１％，２％もしくは５％となるように、選定され得る。この表面粗さの程度は、ガス原子/分子と、基板並びにチャックの面との間のエネルギー変換効率に影響を与える。粗い面とガス原子/分子との間の相互作用は、平滑な面での相互作用と比較してより非弾性衝突のようにであり、このことは、より多くのエネルギーがガス原子/分子と面との間で変換されることを意味している。かくして、1もしくは複数の粗い面（即ち、上面６４Ｕ並びに／もしくは下面ＷＬ）を使用することにより、適応係数αが大きくなり、かくして、比α／λが大きくなる。この結果、ガス分子と基板並びにチャックの面との間の熱変換がより効率良くなる。表面粗さは、上面６４Ｕ全体に渡って均一にしても、表面粗さの種々の領域(後述する)を有していても、また、なだらかに(smoothly)に変化（例えば、径方向外方に向かうのに従って減じるから、中心軸Ａから増加するか）しても良い。
【００２６】
表面粗さの程度は、使用されるガスに対応している。従来技術のチャックにおいて、上面１４は、ミラー研磨(mirror polish)されており、このことは、粗さが０．１ないし０．４μｍより一般的には小さいことを意味する。上面６４Ｕの粗さが異なるチャックが、テストされ得る。チャック面と基板との間の温度差ΔＴを減じるものが使用され得る。例えば、温度差を最少にするか、最少値の５％，２％もしくは１％にするチャックの表面粗さが、選定され得る。チャックが、同じパワーの設定でテストされなければならず、ウエハとチャックとの温度が、例えば、熱電対もしくは蛍光透視温度センサーを使用して測定され得る。一般に、熱伝達係数ｈｇが高くなる(例えば、温度差ΔＴがおおきくなる)限りは、α、もしくはλでさえも見つけて知る必要はない。ガスを交換するときには、一般的に、上記方法が繰替えされる必要があり、また、異なる粗さが選定され得る。チャックの上面は、所望の粗さを得るように、適当なサイズのグリットで研磨される。
【００２７】
前記ガス源８６により供給されるガス９４は、ヘリウムもしくはアルゴンであるか、ヘリウムもしくはアルゴンよりも大きい原子量もしくは分子量のものか、ガスの混合物である。上記単原子ガスの例は、ネオン、アルゴン、クリプトン並びにキセノンの希ガスを含む。また、分子性ガスの例は、Ｃ４Ｆ８，ＳＦ６，Ｃ５Ｆ８，Ｃ２Ｆ６のようなエッチング処理で一般に使用されているものを含む。
【００２８】
第２の実施の形態
図４並びに図５には、本発明の第２の実施の形態として、基板Ｗを支持する第２のチャック装置１５０が示されている。表面６４Ｕに平行なギャップ１００のｘ−ｙ平面は、向きの助けのために示されている。チャック装置１５０は、このチャック装置１５０が、以下に説明する幾つかの形態を有する以外は、上述したチャック装置５０と実質的に同じである。チャック装置５０のと同じチャック装置１５０の部材は、同じ参照符号が付されている。また、チャック装置１５０は、チャンバが図４並びに図５には示されていないけれども、低圧雰囲気になっている。
【００２９】
かくして、チャック装置１５０は、チャック５０と同じ部材を有し、さらに、互いに同心的なガスリング１６２ａ，１６２ｂに配設され、上面６４Ｕに形成された複数のガス射出孔１６０を有する。代わって、これら孔１６０は、チャックの中心から放射状に配設されても良い。各同心ガスリング１６２ａ，１６２ｂは、上面６４Ｕと下面６８Ｌとを接続する対応したガスリング導管１６６ａ，１６６ｂと流体的に連通している。かくして、ガス射出孔１６０は、上面６４Ｕの所での、導管１６６ａ，１６６ｂの一端の開口である。２つの同心ガスリングと２つの対応したガス導管とが、説明のために示されているけれども、実際には、１もしくはこれ以上の同心ガスリングとガス導管とが使用され得る。
【００３０】
前記チャック装置１５０は、付加的に、二次ガス源１８６Ａ，１８６Ｂ（即ち、ガス源８６が第１、即ち、主ガス源の場合には、第２並びに第３のガス源）を有する。これらガス源は、ガス射出孔１６０を介して上面６４Ｕに第２並びに第３のガス１９４Ａ，１９４Ｂを供給するために、夫々のガス供給ライン１９０Ａ，１９０Ｂを介して対応するガス導管１６６ａ，１６６ｂに流体的に接続されている。かくして、上面６４Ｕは、第１のガス源８６からガス９４を受け、ガス源１８６Ａから第２のガス１９４Ａを受け、そして、第３のガス源１８６Ｂから第３のガス１９４Ｂを受ける。これら第２並びに第３のガス１９４Ａ，１９４Ｂハ、ヘリウムもしくはアルゴンでも良く、各々がヘリウムもしくはアルゴンよりも大きい平均原子／分子量を有しているものでも良く、また、混合ガスでも良い。
【００３１】
さらに図４並びに図５に示すように、チャック装置１５０は、１もしくは複数の異なる混合ガスを導管８０，１６６ａ，１６６ｂを介して上面６４Ｕに供給するために、ガス源８６，１８６Ａ，１８６Ｂの何れかもしくは全てに接続された複チャンネルガスミクスチャ２００を有する。この結果、チャック装置１５０は、ギャップ１００内に異なる体積領域Ｚｉ(例えば、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３)を有することができる。これら体積領域内で前記比（ｋα／λ）ｉは、ギャップ１００内のこれら異なる領域に異なる成分の混合ガスが導入されるので、夫々異なる。かくして、このような形態のチャック装置１５０は、ギャップ１００内のｘ−ｙ方向での熱伝達係数を特に異ならせることができる。この結果、基板Ｗの温度均一性を制御することができる。このような形態は、特に異なる方法で基板を加熱する処理に対して特に有用である。
【００３２】
チャック装置１５０において、主制御ユニット９２は、第１のガス源８６と、二次ガス源１８６Ａ，１８６Ｂと、複チャンネルガスミクスチャ２００とに電気的に接続されている。この結果、基板Ｗからチャック本体６０への熱伝達を制御するように、ギャップ中への混合ガスの流れを制御することと、これらガス源からの混合ガスのダイナミックな制御とが可能になっている。
【００３３】
第３の実施の形態
図６は、本発明のチャック装置３００の平面図である。半径座標ｒが参照のために示されている。このチャック装置３００は、図４並びに図５に関連して上述されたチャック装置１５０に最も良く一致している。これらチャック装置１５０とチャック装置３００との間の相違は、チャック装置３００の上面６４Ｕが夫々異なる表面粗さσｉ（例えば、夫々σ１，σ２，σ３）の環状領域Ｒｉ（例えば、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）を有することである。これら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、各々がチャック装置１５０と関連して説明されたような複数のガス孔１６０を有する同心ガスリング１６２ａ，１６２ｂにより規定され得る。このチャック装置３００において、領域Ｒｉに対応した異なる領域Ｚｉでのガスの平均自由行路λに対する適応係数αの比α／λは、次の２つのファクターによって非常に異なる。第１のファクターは、上面６４Ｕの領域Ｒｉに対応した異なる領域Ｚｉ中へ射出される異なるガスである。第２のファクターは、ことなる表面粗さσｉの領域Ｒｉである。表面粗さσ１，σ２，σ３のための例示的値は、２，８，１６μｍである。かくして、領域Ｚｉでのガスギャップ状態による熱伝達は、非常に異なり、の場合よりもさらに異なる。かくして、このチャック装置３００は、基板Ｗを冷却し、基板の温度均一性を制御するためのより汎用性のあるシステムを提供する。前記領域Ｚｉは、温度均一性の制御の必要性に応じて多くても少なくても良い。
【００３４】
前記第２並びに第３の実施の形態の複チャンネルガスミクスチャ２００は、主ガス源８６並びに二次ガス源１８６Ａ，１８６Ｂからの２以上のガスから成分ガスを成分が異なる混合ガスへと混合するように使用される。上述されかつ図４並びに図５に示されたような３つのガス源の使用は、説明のためであり、如何なる道理にかなった数のガス源が、混合ガスの広い変更を達成するように、ガスミクスチャ２００に接続され得ることは、当業者にとって自明であろう。本発明において、異なる値のｋα／λを有する２つ以上の異なるガスが、広い範囲のｋα／λ、かくして広い範囲の熱伝達係数を有する混合ガスが達成され得るように、使用され得る。例えば、ヘリウムは、第１の混合ガスのために使用され得、一方、Ｃ４Ｆ８またはＳＦ６のような重い処理ガス、もしくはキセノンのような重い不活性原子ガスが第２の混合ガスのために使用され得る。前記複チャンネルガスミクスチャ２００は、低い値(例えば、純ヘリウムガスのため)と高い値(例えば、純重いガスのため)との間の熱伝達係数を有する２（もしくはこれ以上）種のガスの混合物を提供することができる。
【００３５】
チャック装置１５０の上面６４Ｕの粗さ、即ち領域Ｒｉの粗さは、基板Ｗの処理の間は、容易には変更されない。表面粗さ値（σ１もしくはσ２）で得られる熱伝達係数の範囲と、混合ガスの成分の範囲とは、充分には広くはないので、チャック本体６０の円筒状の上部６４が、異なる粗さσ１もしくはσ２を有する他の上部と交換され得る。この結果、異なる範囲の熱伝達係数を得ることができる。
【００３６】
後の２つの実施の形態のいずれにおいても、互いに異なる領域Ｒｉは、基板の加熱に対応した形状にすることができる。例えば、基板処理が、基板の径方向加熱生じさせる場合には、上述したような環状の領域Ｒｉが最も効果的であることを証明できる、しかし、特に、基板の加熱分布が非半径方向である場合には、他の形状が使用され得る。また、上述されたように、表面粗さσが、複数の分離された領域Ｒがあるのではなく、σが連続的に変化する１つの領域があるように、位置の平滑関数（smooth function of position）（即ち、σ（ｘ，ｙ）もしくはσ（ｒ）であり、ここで、ｒは半径方向の値（ｘ２＋ｙ２）１／２である）であり得る。
【００３７】
本発明の多くの態様と効果とが、詳述された明細書が明らかであり、かくして、本発明の真の精神並びに範囲内で記載された方法の態様と効果との全てをカバーするように、請求項により意図されている。さらに、多くの変更と交換とが、この分野の者にとって容易になされるであろうから、図示並びに説明されただけの構造と動作に本発明は制限されることは望まれていない。従って、全ての適当な変更と等価とが、請求された本発明の精神並びに範囲を逸脱しないで考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】チャックに支持されている基板を冷却するために使用されるヘリウムガスの流れを示す、従来のチャック装置の概略的な断面図である。
【図２】基板とチャックとの間のギャップでの温度分布とガスギャップの有効厚さとを示す、温度Ｔとガス幅との既知の関係を示すプロット図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係わるチャック装置の概略的な断面図である。
【図４】チャックの上面に１もしくは複数種のガスを供給するための複数のガス射出孔を有する互いに同心的なガスリングを示す、本発明の第２の実施の形態に係わるチャック装置の斜視図である。
【図５】基板からチャック本体への熱伝達を制御するようにギャップ中へのガス流を動的に制御するための主制御ユニットを示す、図４のチャック装置の概略的な断面図である。
【図６】同心的なガスリングと異なる表面粗さの領域とを示す、本発明の第３の実施の形態に係わるチャック本体の上面の平面図である。
Claims (50)
- 上面と下面とを有する基板を、基板の上面の処理の間に基板からの熱の伝達を促進するように、支持するためのチャック装置であって、
基板の下面の近くに、この下面との間にギャップを形成するように、位置される粗い上面と外側エッジとを有するチャック本体と、
このチャック本体を貫通し、前記粗い上面に開口した第１の端部と、この第１の端部と反対側の第２の端部とを有するガス導管とを具備し、ガスが、導管を通って前記ギャップに入り、前記チャック本体の外側エッジに向って流れるようになっているチャック装置。 - 前記粗い上面の粗さは、０．４μm以上である請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、０．４ないし約１０μmである請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、約１ないし約４μmである請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、αが粗い上面の適応係数であり、λがガスの平均自由行程であるときに、比α／λが最大値の５％以内となるように、選定されている請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、αが粗い上面の適応係数であり、λがガスの平均自由行程であるときに、比α／λが最大値の２％以内となるように、選定されている請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、αが粗い上面の適応係数であり、λがガスの平均自由行程であるときに、比α／λが最大値の１％以内となるように、選定されている請求項１のチャック装置。
- 前記粗さは、比α／λが最大値となるように、選定されている請求項７のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、粗い上面と基板との間の温度差が最小値の５％以内となるように、選定されている請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、粗い上面と基板との間の温度差が最小値の２％以内となるように、選定されている請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、粗い上面と基板との間の温度差が最小値の１％以内となるように、選定されている請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面の粗さは、温度差が最小値となるように、選定されている請求項１１のチャック装置。
- 前記チャック本体に形成された少なくとも１つの付加のガス導管をさらに具備し、付加のガス導管は、同心ガスリングもしくは他の孔パターンで配設され、ガス射出孔として前記粗い上面に終端している複数の第１の端部と、これら複数の第１の端部の反対側の第２の端部とを有する、請求項１のチャック装置。
- 前記粗い上面に、異なる表面粗さの複数の領域を有する請求項１３のチャック装置。
- 前記複数の領域は、前記同心ガスリングもしくは他の孔パターンにより規定されている請求項１４のチャック装置。
- 表面粗さの値が前記粗い上面でスムーズに変わっている請求項１のチャック装置。
- 前記中心のガス導管に第２の端部の所で接続された第１のガス源をさらに具備する請求項１のチャック装置。
- 前記ガス源は、ヘリウムよりも大きい原子量もしくは分子量を有するガスを与える請求項１７のチャック装置。
- 前記ガス源は、アルゴンよりも大きい原子量もしくは分子量を有するガスを与える請求項１７のチャック装置。
- 前記第１のガス源は、ネオンと、アルゴンと、クリプトンと、キセノンとからなるガスのグループの少なくとも１つのガスを含んでいる請求項１８のチャック装置。
- 前記少なくとも１つのガスリングもしくはパターン、導管、第２の端部に接続された少なくとも１つの二次ガス源をさらに具備する請求項１７のチャック装置。
- 前記二次ガス源は、ヘリウムと、ネオンと、アルゴンと、クリプトンと、キセノンとからなるガスのグループの少なくとも１つのガスを含んでいる請求項２０のチャック装置。
- 複数のガス源と、
これら複数のガス源と、前記粗い上面に導かれた対応した複数のガス導管とに接続され、複数のガス源からのガスを含む混合ガスを与える複チャンネルガスミクスチャとをさらに具備する請求項１３のチャック装置。 - 前記ギャップへのガスの吐出量を動的に制御するように、前記ガス源に電気的に接続された主制御ユニットをさらに具備する請求項１８のチャック装置。
- 前記ギャップへのガスの吐出量を動的に制御するように、前記二次ガス源と前記第１のガス源とに電気的に接続された主制御ユニットをさらに具備する請求項２１のチャック装置。
- 前記複数のガス源からのガスの混合を制御して前記混合ガスをつくると共に前記ギャップへの前記混合ガスの吐出量を動的に制御するように、前記複チャンネルガスミクスチャに電気的に接続された主制御ユニットをさらに具備する請求項２３のチャック装置。
- 上面と下面とを有する基板から、中心と、外側エッジと、上面とを有するチャック本体に、低圧の雰囲気の中で、熱の伝達を促進させるための方法であって、
前記チャック本体の上面を粗い上面とすることと、
基板を前記粗い上面に近接させることにより、基板の下面と前記粗い上面との間にギャップを形成することと、
ガスが、前記外側エッジに向って流れるように、前記ギャップの中に少なくとも１種類のガスを流すこととを具備する方法。 - 前記少なくとも１種類のガスは、ヘリウムよりも大きい原子量もしくは分子量を有する請求項２７の方法。
- 前記少なくとも１種類のガスは、アルゴンよりも大きい原子量もしくは分子量を有する請求項２７の方法。
- 前記表面粗さの程度と、基板の下面と、ガスの種類と、ガスの流れとは、比α／λがヘリウムのそれよりも大きくように適応係数αと平均自由行程λとを規定している。請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、０．４μm以上である請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、０．４ないし約１０μmである請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、約１ないし約４μmである請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、αが粗い上面の適応係数であり、λがガスの平均自由行程であるときに、比α／λが最大値の５％以内となるように、選定されている請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、αが粗い上面の適応係数であり、λがガスの平均自由行程であるときに、比α／λが最大値の２％以内となるように、選定されている請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、αが粗い上面の適応係数であり、λがガスの平均自由行程であるときに、比α／λが最大値の１％以内となるように、選定されている請求項２７の方法。
- 前記粗さは、比α／λが最大値となるように、選定されている請求項３６の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、上面と基板との間の温度差が最小値の５％以内となるように、選定されている請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、上面と基板との間の温度差が最小値の２％以内となるように、選定されている請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、上面と基板との間の温度差が最小値の１％以内となるように、選定されている請求項２７の方法。
- 前記チャック本体の上面の粗さは、温度差が最小値となるように、選定されている請求項４０の方法。
- 前記上面とすることは、チャックの上面に異なる値の表面粗さを有する複数の領域を形成することを含む請求項２７の方法。
- 前記上面とすることは、チャックの上面に、位置の関数として変化する表面粗さの値を有する粗くされた表面を形成することを含む請求項２７の方法。
- 前記ガスを流すことは、複数の異なるガスをギャップ内の異なる領域に導入させることを含む請求項２７の方法。
- 前記ガスを流すことは、熱伝達量を制御するように、少なくとも１種類のガスの流れを動的に制御することを含む請求項２７の方法。
- 前記ガスを流すことは、熱伝達量を制御するように、複数の異なるガスの流れを動的に制御することを含む請求項４４の方法。
- 前記ガスを流すことの後に、チャックの上面を、第２の値の表面粗さを有する上面に交換することをさらに具備する請求項２７の方法。
- 前記ガスを流すことの後に、チャックの上面を、夫々異なる値表面粗さを有する第２の複数の領域を備えた新しい上面に交換することをさらに具備する請求項４２の方法。
- 前記ガスを流すことの間もしくは後に、基板の上面を処理することをさらに具備する請求項２７の方法。
- 前記処理することは、基板の上面をプラズマに晒すことを含む請求項４９の方法。
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