JP2005528790A - プラズマエッチングリアクタ用のカソードペデスタル - Google Patents

Abstract

本発明の種々の実施形態は、一般に、プラズマエッチングリアクタに向けられる。一実施形態において、このリアクタは、チャンバーと、該チャンバー内に配置されたペデスタルと、チャンバー内でペデスタルの上に横たわるように配置されたガス分配プレートと、ペデスタルを取り巻くリングと、ペデスタル内に配置された上部導電性メッシュ層及び下部導電性メッシュ層とを備えている。リングは、持ち上がった部分を有する。上部導電性メッシュ層は、下部導電性メッシュ層の実質的に上に配置されると共に、ペデスタルに配置されるように構成された基板と実質的に同じサイズにされる。下部導電性メッシュ層は、形状が実質的に環状であり、上部導電性メッシュ層の周囲で、リングの持ち上がった部分の下に配置される。

Description

発明の背景

[0001]発明の分野
[0002]本発明の実施形態は、一般に、半導体基板処理装置に関し、より詳細には、プラズマエッチングリアクタの内部に通常使用されるペデスタルに関する。

[0003]関連技術の説明
[0004]一般に、プラズマエッチングリアクタは、半導体ウェハを処理してマイクロ電子回路を製造するのに使用される。リアクタは、処理されるべきウェハを収容するチャンバー内にプラズマを形成する。プラズマは、チャンバーに誘導的又は容量的に結合される超高周波（ＶＨＦ）プラズマソース電力を印加することにより形成され維持される。ＶＨＦソース電力をチャンバーに容量性結合する場合には、ＶＨＦソース電力発生器によりオーバーヘッド電極（ウェハに向いた）が付勢される。

[0005]近年、容量性結合のプラズマエッチングリアクタが、低い圧力でほぼ純粋な反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の条件において誘電体エッチングを行なう用途に使用されており、この条件とは、高い電圧能力（例えば、ピーク−ピークで約４０００ボルトから、ピーク−ピークで約６０００ボルトまで）と、低い圧力（例えば、約３０ｍＴ）での著しいプラズマの発生と、低い圧力でプラズマの発生を許すためのチャックの高い効率とを要求するものである。しかしながら、容量性結合のプラズマエッチングリアクタをこれら条件のもとで動作すると、高電圧のブレークダウンや、チャックへの大きなダメージや、悪いエッチング率をしばしば招くが、これらは、全て、基板表面上のプラズマ密度の欠乏により引き起こされる。近年の調査で、プラズマ密度の欠乏は、基板に接続する伝送線にロスが多いことで生じることが発見された。

[0006]それ故、上述した欠点を克服する改良された容量性結合のプラズマエッチングリアクタが要望されている。

概要

[0007]本発明の種々の実施形態は、一般に、プラズマエッチングリアクタに向けられる。一実施形態において、このリアクタは、チャンバーと、該チャンバー内に配置されたペデスタルと、チャンバー内でペデスタルの上に横たわるように配置されたガス分配プレートと、ペデスタルを取り巻くリングと、ペデスタル内に配置された上部導電性メッシュ層及び下部導電性メッシュ層とを備えている。リングは、持ち上がった部分を画成する。上部導電性メッシュ層は、下部導電性メッシュ層の実質的に上に配置されると共に、ペデスタルに配置されるように構成された基板と実質的に同じサイズにされる。下部導電性メッシュ層は、形状が実質的に環状であり、上部導電性メッシュ層の周囲で、リングの持ち上がった部分の下に配置される。

[0008]別の実施形態では、リアクタは、更に、ペデスタルに配置された絶縁層と、該絶縁層を通して配置された複数のガス流開口とを含む。少なくとも１つのガス流開口には、多孔性プラグが配置される。この多孔性プラグは、絶縁層の上面に向ってガスが流れるための間接的通路を与えるように構成される。

[0009]更に別の実施形態では、リアクタは、更に、ペデスタルを通して配置された少なくとも１つのリフトピン開口を備えている。この少なくとも１つのリフトピン開口には、ペデスタルの上面から基板の一部分を持ち上げるように構成されたリフトピンが配置される。少なくとも１つのリフトピン開口は、その圧力が、プロセス中のチャンバー内部圧力より実質的に低い。

[0010]更に別の実施形態では、リアクタは、更に、ペデスタル内部に配置された熱交換器を備えている。この熱交換器は、複数のチャンネルを含む。各チャンネルには、複数の突出部が配置されている。これら突出部は、チャンネル内に収容された熱交換器流体に乱流を生じさせるように構成される。

[0011]本発明の上述した特徴を詳細に理解できるように、前記で簡単に概要を述べた本発明を、添付図面に示された実施形態を参照してより詳細に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものに過ぎず、それ故、本発明の範囲をそれに限定すると考えるべきではない点に留意されたい。というのは、本発明は、他の等しく有効な実施形態も許すからである。

詳細な説明

[0024]図１は、本発明の種々の実施形態を包含する容量性結合のエッチングリアクタ１００の一例を示す図である。この例示は、アプライド・マテリアルズから入手できるＭｘＰ、ｅＭａｘ又はＳｕｐｅｒ−ｅエッチングリアクタに基づくものである。このリアクタは、おそらく壁を保護するためのライナーを含む接地された真空チャンバー３２を備えている。基板１１０は、スリットバルブ開口３６を通してチャンバー３２へ挿入されて、カソードペデスタル１０５にのせられ、静電チャック４０がウェハを選択的にクランプする。このチャックは、１つ以上の電源で付勢されてもよい。ペデスタルを低い温度に維持するためにペデスタル１０５を通して流体冷却チャンネルが配置されてもよい。ヘリウムのような熱伝達ガスがペデスタル１０５の上面の開口に供給される。熱伝達ガスは、ペデスタル１０５とウェハ３４との間の熱結合の効率を高め、ウェハ３４は、静電チャック４０によるか又はそれとは別に使用される周囲ウェハクランプによりペデスタル１０５に対して保持される。

[0025]一般的に１３．５６ＭＨｚで動作するＲＦ電源２００が、カソードペデスタル１０５に接続され、プラズマを発生しながらＤＣ自己バイアスも制御するための電力を供給する。１つ以上の電流源により付勢される磁気コイル４４がチャンバー３２を取り巻いており、これは、ゆっくり回転する（数秒程度であって、通常、１０ｍｓ未満で）水平方向の本質的にＤＣの磁界を発生し、プラズマの密度を高める。真空ポンプシステム４６は、調整可能なスロットルバルブ４８を通してチャンバー３２をポンピングする。シールド５０、５２は、チャンバー３２及びペデスタル１０５を保護するだけでなく、バッフル５４と、スロットルバルブ４８に接続されたポンピングチャンネル５４も画成する。

[0026]処理ガスが、ガスソース５８、６０、６２から、各質量流量コントローラ６４、６６、６８を経て、ガス分配プレート１２５へ供給され、このガス分配プレートは、処理領域７２を横切ってウェハ３４から分離されてウェハ３４の上に横たわるようにチャンバー３２の屋根に配置される。分配プレート１２５は、処理ガスを受け取るように構成されたマニホールド７４であって、多数の分布された孔７６を有するシャワーヘッドを通して処理領域７２と連通して、処理ガスのより均一な流れを処理領域７２へ注入できるようにするマニホールド７４を備えている。

[0027]リアクタ１００の他の詳細は、リュー氏等に発行された「Magnetically Enhanced Plasma Etch Process Using A Heavy Fluorocarbon Etching Gas」と題する共通に譲渡された米国特許第６，４５１，７０３号、及びリュー氏等に発行された「Etch Method Using A Dielectric Etch Chamber With Expanded Process Window」と題する米国特許第６，４０３，４９１号に更に説明されており、これら特許は、両方とも、本発明と矛盾しない程度に参考としてここに援用する。本発明の種々の実施形態は、上述したリアクタを参照して説明するが、本発明の実施形態は、他のリアクタ、例えば、本発明と矛盾しない程度に参考としてここに援用するホフマン氏等による「Plasma Reactor With Overhead RF Electrode Tuned To The Plasma With Arcing Suppression」と題する２００１年１２月１９日に出願された共通に譲渡された米国特許出願第１０／０２８，９２２号に説明されたもので、カリフォルニア州サンタクララのアプライド・マテリアルズ・インクからＥｎａｂｌｅｒ（登録商標）リアクタとして商業的に入手できるリアクタに使用されてもよい。

[0028]二重メッシュ。図２は、カソードペデスタル１０５の構造を詳細に例示している。カソードペデスタル１０５は、金属ペデスタル層２０５と、パックと称されてもよい絶縁層２１０とを備えている。この絶縁層２１０は、上部導電性メッシュ層２１５と、下部導電性メッシュ層２２０とを含む。基板１１０は、一般に、絶縁層２１０の上面に配置される。これらメッシュ層の特定の配向は、図３を参照して以下に説明する。これら導電性メッシュ層２１５、２２０と、金属ペデスタル層２０５は、各々、モリブデン及びアルミニウムで作られてもよい。絶縁層２１０は、例えば、窒化アルミニウム又はアルミナのような誘電体材料で作られてもよい。導電性メッシュ層２１５、２２０は、基板１１０の表面におけるイオン衝撃エネルギーを制御するためのＲＦバイアス電圧を供給するように構成される。又、導電性メッシュ層２１５、２２０は、基板１１０を静電式にチャック把持したりチャック解除したりするのに使用されてもよい。このような場合に、導電性メッシュ層は、チャック電源１４０に接続されてもよい。このような電源の一例が、参考としてここに援用する１９９９年１２月２１日に発行された共通に譲渡された米国特許第６，００５，３７６号に開示されている。導電性メッシュ層２１５、２２０は、必ずしも接地しなくてもよく、従って、従来のチャック把持及びチャック解除操作に基づいて浮動電位又は固定ＤＣ電位を有してもよい。

[0029]図２は、更に、カソードペデスタル１０５を通して延びるＲＦ導体２２５を示している。このＲＦ導体２２５は、ＲＦバイアスインピーダンス整合素子２３０（図１に示す）を経てＲＦバイアス発生器２００に電気的に結合される。ＲＦバイアス発生器２００は、例えば、約２ＭＨｚから約１３．５６ＭＨｚまでの高周波（ＨＦ）帯域においてＲＦバイアスインピーダンス整合素子２３０及びＲＦ導体２２５を経て基板１１０へ電力を印加するように構成される。ＲＦ導体２２５は、一般に、金属ペデスタル層２０５のような接地導体から絶縁される。ＲＦ導体２２５は、上部導電性メッシュ２１５と電気的に接触する上部終端又はバイアス電力フィードポイント２２５ａを有する。

[0030]図３は、本発明の一実施形態による導電性メッシュ層２１５、２２０の構成を詳細に示す。上部導電性メッシュ層２１５は、一般に、円板のような形状であり、基板１１０と実質的に同じサイズを有する。このメッシュ層２１５は、基板１１０の下で、基板１１０と実質的に平行に配置される。下部導電性メッシュ層２２０は、実質的に環状の形状であり、一般に、上部導電性メッシュ層２１５より下で、上部導電性メッシュ層２１５に平行に、且つ実質的にカソードペデスタル１０５の周囲付近に配置される。下部導電性メッシュ層２２０は、その下部導電性メッシュ層２２０の直径に沿って延びる導電性ラインを経てＲＦ導体２２５に電気的に結合される。このように、下部導電性メッシュ層２２０は、基板１１０の周囲部分にＲＦ電力を供給するように構成される。上部及び下部の導電性メッシュ層２１５、２２０の他の詳細な説明は、本発明と矛盾しない程度に参考としてここに援用するシャン氏等に発行された「Apparatus and Method for Controlling Plasma Uniformity in a Semiconductor Wafer Processing System」と題する共通に譲渡された米国特許第６，２３２，２３６号に見ることができる。

[0031]図３は、更に、本発明の一実施形態による半導体リング１１５も示している。この半導体リング１１５は、プロセスキットと称されてもよい。下部導電性メッシュ層２２０は、この半導体リング１１５の下に配置される。半導体リング１１５は、持ち上がった部分１１８を画成する。下部導電性メッシュ層２２０は、その上方部分１１８と組み合わされて、基板１１０の周囲又はその付近で電界を整形するように構成される。より詳細には、基板１１０の周囲部分又はその付近に通常配置されてエッジ傾斜作用を引き起こし、わき道的にビアをエッチングさせる高密度の非垂直電界線を減少するために、この組合体が使用される。下部導電性メッシュ層２２０を半導体リング１１５の下に配置すると共に、持ち上がった部分１１８を画成することにより、基板１１０の周囲又はその付近の電界線は、基板１１０に実質的に垂直に配置され、これにより、エッジ傾斜作用を排除する。一実施形態では、持ち上がった部分１１８は、高さが約１．５ｍｍから約３ｍｍである。

[0032]バイアス同調回路。ホフマン氏等による「Plasma Reactor With Overhead RF Electrode Tuned To The Plasma With Arcing Suppression」と題する２００１年１２月１９日に出願された共通に譲渡された米国特許出願第１０／０２８，９２２号に説明されたような幾つかのチャンバーでは、ガス分配プレート１２５にＶＨＦ電力を印加して、ガス分配プレートを電極としてもよい。ガス分配プレートに印加される電力は、一般に、「ソース」電力と称され、これに対して、ペデスタルに印加されるのは「バイアス」電力である。一実施形態では、ＶＨＦ電力は、１００−２００ＭＨｚのような高周波で印加される。他の実施形態では、ソース電力周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚ又は１２．５６ＭＨｚのように低くてもよい。

[0033]図４は、オーバーヘッド電極１２５、カソードペデスタル１０５を経て印加されるＲＦバイアス、及びカソードペデスタル１０５の諸要素を含む回路の回路図である。図５は、基板１１０、終端即ちフィードポイント２２５ａ、及びＲＦ導体２２５の上面図である。カソードペデスタル１０５により形成されるＲＦ戻り路は、基板１１０の平面内の２つの部分、即ちフィードポイント２２５ａを中心としてそこから外方に延びる半径方向内側部分５３０と、半径方向外側の環状部分５３５とで構成される。これら２つの部分５３０、５３５により形成されるＲＦ戻り路は、異なるものであり、従って、２つの部分５３０、５３５は、オーバーヘッド電極１２５により放射されるＶＨＦ電力に、異なるインピーダンスを与える。

[0034]一次ＲＦ戻り路５４５は、カソードペデスタル１０５及びＲＦ導体２２５を経て結合された導電性メッシュ層２１５、２２０により形成される。外側の環状部分５３５を通過するＲＦ戻り路５４０は、基板１１０を通して導電性メッシュ層２１５、２２０を横切ってカソードペデスタル１０５へ至る無効結合によって左右される。対照的に、内側部分５３０を通るＲＦ戻り路５４５は、フィードポイント２２５ａの無効インピーダンスによって左右される。その結果、２つのＲＦ戻り路は、インピーダンスが基板１１０にわたって均一でない場合には、ＲＦ電力に対して非均一な結合をしばしば生じさせる。

[0035]２つのＲＦ戻り路は、物理的に異なるので、オーバーヘッド電極１２５により放射されるＶＨＦ電力に異なるインピーダンスを与える傾向となる。このような相違は、ＶＨＦ電力に対するインピーダンスの、基板表面にわたる半径方向分布に非均一性を生じさせ、プラズマへのソース電力結合を非均一にすると共に、基板１１０の表面付近でプラズマイオン密度の非均一な半径方向分布を生じさせることがある。これは、次いで、処理の非均一性を生じさせて、プロセス窓を不当に狭くすることになる。従って、リアクタ１００は、ＶＨＦ電力に対してＲＦ導体２２５により与えられるフィードポイントインピーダンスを調整することによって、基板表面にわたるインピーダンスのより均一な半径方向分布と、基板表面にわたるＶＨＦ電力のより均一な結合とを可能にするある特徴を含むことができる。

[0036]フィードポイントインピーダンスをこのように調整する主たる目的は、フィードポイント２２５ａのインピーダンスを、ソース電力周波数（即ち約１００ＭＨｚから約２００ＭＨｚのオーバーヘッド電極１２５のＶＨＦ周波数）において少なくともほぼゼロにもっていくことである。この調整の結果として、ＲＦ電流戻り路は、カソードペデスタル１０５に流れる電流を最小にしながら、ＲＦ導体２２５を経て導電性メッシュ層２１５、２２０によって左右される。従って、領域５３０及び５３５のインピーダンスを、少なくとも実質的に同じにすることができる。

[0037]フィードポイントのインピーダンスを調整するために、誘電体の円筒状スリーブ５５０がＲＦ導体２２５を取り巻く。スリーブ５５０の軸方向長さ及びそれを構成する材料の誘電率は、ＶＨＦ電力に対してＲＦ導体２２５により与えられるフィードポイントインピーダンスを決定する。一実施例では、スリーブ５５０の長さ及び誘電率は、フィードポイントのインピーダンスを、ＶＨＦソース電力周波数（例えば、約１００−２００ＭＨｚ）においてほぼゼロにもっていくように選択される。ある作用実施例では、フィードポイントインピーダンスは、スリーブ５５０をもたない場合に（０．９＋ｊ４１．８）オームであり、一方、スリーブ５５０をもつ場合に（０．８＋ｊ０．３）オームでほぼ短絡であった。フィードポイント２２５ａを取り巻く外側領域５３５により与えられるインピーダンスは、それに対応する周波数においてほぼ短絡である（主として、導電性メッシュ層２１５、２２０が存在するために）。それ故、後者の実施例では、スリーブ５５０は、ソース電力周波数におけるフィードポイントのインピーダンスを、その周囲領域のインピーダンスに近い値にもっていくことができる。ここでは、フィードポイントを取り巻く領域のインピーダンスは、主として、導電性メッシュ層２１５、２２０により決定される。

[0038]又、スリーブ５５０は、ＶＨＦ電力分布の前記改善を容易にすると同時に、個別の問題を解消し、即ちＲＦ導体２２５により基板１１０に印加されるＲＦバイアス電力（例えば、１３．５６ＭＨｚの）で形成される電界の均一性を改善するという特徴も含むことができる。問題は、どのようにして、プラズマイオン密度の最大均一性のためにＶＨＦ電力結合の半径方向分布を調整すると同時に、ウェハ表面にわたるＨＦバイアス電力電界分布を最大均一性のために調整するかである。最大均一性は、ＨＦバイアス電力周波数におけるフィードポイントインピーダンスが、導電性メッシュ層２１５、２２０によって左右される周囲領域５３５のインピーダンスの近くへもっていかれた場合に（ＶＨＦソース電力周波数におけるフィードポイントインピーダンスを変更せずに）、達成されるであろう。この問題は、スリーブ５５０をその円筒軸に沿って複数の円筒状区分に分割し、次いで、各区分の長さ及び誘電率を独立して調整又は選択することにより解消される。これは、バイアス周波数（例えば、約１３．５６ＭＨｚ）及びソース周波数（例えば、約１００−２００ＭＨｚ）の両方において同時にフィードポイントインピーダンスをその周囲領域のインピーダンスに整合するのを許すのに利用できる多数の独立した変数を与える。

[0039]図６は、本発明の一実施形態により３つの区分、即ち上部区分５５２、中間区分５５４及び下部区分５５６に分割されたスリーブ５５０を示す。上部区分５５２は、ポリテトラフルオロエチレンで約３インチの長さに形成されてもよく、中間区分５５４は、アルミナで約４インチの長さに形成されてもよく、更に、下部区分５５６は、ポリテトラフルオロエチレンで約３インチの長さに形成されてもよい。スリーブの上部区分５５２の長さ及び誘電率は、もっぱらＨＦバイアス電力分布を最適化するように選択され固定されてもよい。次いで、残りのスリーブ区分５５４、５５６の長さ及び誘電率は、ＨＦバイアス電力分布を最適な状態に保ちながら、オーバーヘッド電極によりＶＨＦソース電力分布を最適化するように選択されてもよい。

[0040]図７Ａは、どのようにしてスリーブ５５０を、使用中に調整できるようにアッセンブルできるかを示す。外部制御ノブ５６０が、スリーブ５５０の底部に結合されたスリーブ支持体５７０にねじ係合されたスクリュー５６５を回転するようにリアクタに設けられる。ノブ５６０を回転すると、スリーブ支持体５７０は、ねじ切りされたスクリュー５６５の軸に沿って軸方向に進行し、スリーブ５５０全体を、スリーブガイド５５８内で同じ方向（アップ方向又はダウン方向）に進行させるように強制する。ノブ５６０は、ユーザが、リアクタの運転中に（又はその直前に）スリーブ５５０をＲＦ導体２２５に沿ってアップ方向又はダウン方向に移動することによりフィードポイントインピーダンスを調整するのを許す。スリーブ支持体５７０は、スリーブ５５０全体を移動してもよい（例えば、３つの区分５５２、５５４、５５６全部を１つのユニットとして一緒に）。又は、スリーブ支持体５７０は、３つの区分５５２、５５４、５５６の１つ又は２つだけに結合されて、これら３つの区分の１つ又は２つだけがノブ５６０の回転で移動されるようにしてもよい。図７Ｂは、３つのノブ５６０ａ、５６０ｂ、５６０ｃが３つのスリーブ支持体５７０ａ、５７０ｂ、５７０ｃに別々に係合できることを示している。３つのスリーブ支持体５７０ａ、５７０ｂ、５７０ｃは、３つのスリーブ区分５５２、５５４、５５６の各１つに個々に接続され、これらスリーブ区分５５２、５５４、５５６各々の位置は、３つのノブ５６０ａ、５６０ｂ、５６０ｃによりスリーブガイド５５８ａ内で別々に決定される。図４から図７Ｂを参照して説明したバイアス同調回路の他の詳細は、本発明と矛盾しない程度に参考としてここに援用するヤング氏等による「Capacitively Coupled Plasma Reactor With Uniform Radial Distribution of Plasma」と題する２００２年９月４日に出願された共通に譲渡された米国特許出願第１０／２３５，９８８号に説明されている。

[0041]多孔性プラグ。図２に戻ると、本発明の一実施形態によるカソードペデスタル１０５が示されている。このカソードペデスタル１０５は、該カソードペデスタル１０５の周囲で絶縁層２１０を通して配置された複数のガス流開口２０２を備えている。各開口は、多孔性プラグ２１２を含む。開口２０２と、そこに収容された多孔性プラグ２１２とが結合されて、冷却ガスソース（図示せず）からカソードペデスタル１０５の上面へのガス（ヘリウム又はアルゴンのような）の流れを許すように構成される。多孔性プラグ２１２は、約１０体積％から約６０体積％の有孔率を有するアルミナのような誘電体と、この誘電体材料を通る連続的な通路を形成する相互接続された開口とで形成することができる。又、多孔性プラグ２１２は、セラミック組成物、エンジニアリングサーモプラスチック、サーモセッティング樹脂、充填型(filled)エンジニアリングサーモプラスチック、充填型サーモセッティング樹脂、及びその組合せより成るグループから選択された材料で形成されてもよい。多孔性プラグ２１２が慣習的な成形及び焼結方法を使用して形成されるときには、成形又は焼結に使用される粒子は、そのサイズが孔と同程度の大きさで、実質的にランダムな配向で接合されて、まっすぐな視線構成を回避する通路を形成する。このように、開口２０２内に発生するアーク又はグロー放電を最小にすることができると共に、接地されたペデスタルからプラズマへの均一な電界を発生することができる。多孔性プラグの他の詳細は、本発明に矛盾しない程度に参考としてここに援用するドンデ氏等に発行された「Conduits For Flow Of Heat Transfer Fluid To The Surface Of An Electrostatic Chuck」と題する共通に譲渡された米国特許第５，７２０，８１８号に説明されている。

[0042]ポンプ型リフトピン。図２は、複数のリフトピン開口２０６の１つを更に示し、各開口２０６にはリフトピン２１６が設けられる。リフトピン開口２０６は、カソードペデスタル１０５を通して配置されており、電力がオフにされてクランプ力が終了すると、リフトピン２１６がリフトピン開口を通って基板１１０をカソードペデスタル１０５の上面から持ち上げるのを許す。チャンバーの運転中に、ガス流開口２０２の圧力は、一般に、約５から約４０Ｔの範囲となり、一方、チャンバーの運転圧力は、約１０から約５００ｍＴの範囲となる。ガス流開口２０２を通して流れる冷却ガスの若干がしばしばリフトピン開口２０６へ漏れて、チャンバーの運転中にアークを生じることがある（これは、バックサイドアーキングと称することもある）。本発明の一実施形態によれば、リフトピン開口２０６は、ポンプ作動で真空にするように構成される。このように、リフトピン開口２０６内部の圧力を減少して、リフトピン開口２０６内にアークが発生するおそれを低減することができる。リフトピン開口２０６は、該開口２０６の内部の圧力がチャンバーの運転圧力より低くなるようにポンプ作動で真空にすることができる。リフトピン開口２０６は、チャンバーの真空ポンプ４６又は個別のポンプによりポンプ作動されてもよい。従って、バックサイド冷却ガスは、開口２０６から常時排気され、チャンバー運転中にアークを発生し易くする圧力に蓄積されない。

[0043]絶縁層の最適化。チャンバーを低い圧力（例えば、約０．１ｍＴから約５０ｍＴ）で運転すると、一般に、基板１１０の表面付近に最小又はゼロのプラズマイオン密度を招くことが近年観察されている。基板１１０の表面付近でのプラズマイオン密度の欠乏は、ＲＦバイアス発生器２００から基板１１０への電力ロスが高いことにより生じると決定された。より詳細には、電力ロスのほとんどは絶縁層２１０で発生する。従って、基板１１０の表面付近でのプラズマイオン密度の欠乏は、基板１１０への電力の欠乏により生じると推論することができる。絶縁層２１０における電力ロスを最小にする１つの解決策は、絶縁層２１０の厚みを増加することである。一実施形態では、絶縁層２１０の厚みは、約２倍、例えば、約２５−３０ｍｍ厚みに増加される。絶縁層２１０の厚みを約２５−３０ｍｍに増加することにより、チャンバー内部のプラズマコンダクタンスが約０．００１＋ｊ０．０１から約０．００４＋ｊ０．０２の範囲へと下降する。更に、絶縁層２１０の厚みを約２倍に増加することにより、接地点への分路キャパシタンス（漂遊共振）結合が約５０％減少されると共に、絶縁層２１０に生じる電力ロスが最小にされ、これにより、基板１１０へ印加される電力の量が増加される。ＲＦバイアス発生器２００から基板１１０へ伝達される電力の量が増加するにつれて、ＲＦバイアス発生器２００の電圧能力及び電力能力も増加する。増加された電力能力は、次いで、エッチング率の増加を導く。例えば、３００ｍｍの基板の場合、低い圧力（例えば、約１０−５０ｍＴ）における電圧能力は、ピーク−ピークで約７５００ボルトに増加することができ、電力能力は、約６０００ワットに増加することができる。

[0044]熱交換器。図２は、更に、本発明の一実施形態による熱交換器２２２を示す。この熱交換器２２２は、カソードペデスタル１０５にわたり均一な温度分布を与えるように構成される。一実施形態では、熱交換器２２２は、金属ペデスタル層２０５内に画成される。又、熱交換器２２２は、絶縁層２１０内に画成されてもよい。熱交換器２２２は、熱伝達流体を循環してカソードペデスタル１０５から熱を除去するように構成された複数のチャンネル２３２を画成する。熱交換器２２２は、熱伝達流体を熱交換器に供給する冷却装置２５０に接続される。この冷却装置は、熱交換流体をチャンネル２３２に循環させるためのポンプを含んでもよい。熱伝達流体がチャンネル２３２を経て循環されるときに、カソードペデスタル１０５からの熱が熱伝達流体により吸収される。熱伝達流体をチャンネル２３２に循環した後、加熱された熱伝達流体は、更なる処理又は再循環のために冷却装置へ戻される。

[0045]図８は、本発明の一実施形態による熱交換器２２２の断面図である。この熱交換器２２２は、チャンネル２３２を画成し、これらチャンネル２３２の湿った表面に沿って突出部が配置されている。これら突出部は、熱交換流体に乱流を生じさせるように構成される。熱交換流体の乱流は、より多くの熱交換流体を熱交換器２２２の高温壁に接触させ、ひいては、より効率的な熱交換器とする。又、突出部は、金属ペデスタル層２０５に接触する湿った領域の表面積を増加するように構成されてもよい。このように、突出部は、基板１１０と熱交換器２２２との間の熱抵抗を局部的に調整するように使用することができる。突出部は、フィン、隆起、山形、スピン又は螺旋構造の形態でよい。図８に例示するように、チャンネル２３２は、チャンネル２３２の内側部分（即ち湿った領域）に複数のフィン２４２を画成する。例えば、約２インチ厚みの金属ペデスタル層では、各フィン２４２は、巾が約１／１６インチで、高さが約３／８インチでよい。フィンの高さが高いほど、熱が伝達されてくる金属ペデスタル層２０５と接触する湿った領域が広くなる。フィン２４２は、一般に、他の形式の突出部よりも金属ペデスタル層２０５に接触する湿った領域が広い。その結果、フィン２４２は、他の形式の突出部よりも金属ペデスタル層２０５からより多くの熱を除去するように構成される。というのは、除去される熱の量は、金属ペデスタル層２０５に接触する湿った領域の大きさに正比例するからである。一般に、フィン２４２は、約１．５インチ以上の厚い金属ペデスタル層における突出部として使用される。約１インチ未満の薄い金属ペデスタル層には、山形１０１０（図１０Ａに示す）及び隆起形１０２０（図１０Ｂに示す）のような他の形式の突出部が一般に使用される。山形１０１０が突出部として使用される場合には、山形１０１０のとがった部分が、最大の乱流を計画するように上流方向に配置される。各山形の高さは、チャンネル２３２の深さの約１０％から約１５％でよい。

[0046]図９は、図８の熱交換器２２２の概略底面図である。熱交換器２２２は、入口コンジット９１０と、該入口コンジット９１０に接続された出口コンジット９２０とを備えている。熱交換流体は、入口コンジット９１０に受け入れられ、出口コンジット９２０を経て冷却装置へ移送される。従って、入口コンジット９１０に収容された熱交換流体は、一般に、出口コンジット９２０に収容された熱交換流体より冷たい。一実施形態では、入口コンジットの位置と、出口コンジットの位置が逆にされる。チャンネル２３２は、入口コンジット９１０が実質的に出口コンジット９２０の付近に配置されるよう構成される。このように、入口コンジット９１０と出口コンジット９２０との間の熱抵抗が実質的に一定に保たれ、従って、入口コンジット９１０と出口コンジット９２０との間の温度非均一性を最小に保持する。一実施形態では、入口コンジット９１０は、入口コンジット９１０における熱交換流体の温度が出口コンジット９２０における熱交換流体の温度とほぼ同じになるような位置で出口コンジット９２０に接続される。入口コンジット９１０及び出口コンジット９２０は、鋭い転換の数を最小にすると共に、入口コンジット９１０及び出口コンジット９２０により形成されるループの数を増加するために、螺旋形態で構成されてもよい。更に、入口コンジット９１０及び出口コンジットは、これら入口コンジット９１０及び出口コンジット９２０内部の熱交換流体が互いに逆方向に進行し且つ放射形態が交互にされて、チャンネル２３２を横切る熱交換流体の温度を平均化するように構成されてもよい。更に別の実施形態によれば、入口コンジット９１０及び出口コンジット９２０は、実質的に同一平面内にある。

[0047]上述したように、熱交換流体は、基板１１０から熱を除去するために熱交換器２２２へポンプ圧送される。基板処理温度と、基板１１０からカソードペデスタル１０５へ流れる熱の量とに基づいて、熱交換流体の温度は、水の凝固点より低くてもよく、例えば、約−２０℃から約−１０℃でよい。水が熱交換流体として使用される場合には、エチレングリコール又は塩のような不凍化学材を水に添加してもよい。又、非水系流体（例えば、フッ素処理したガルデン(Galden)ＨＴ−１１０、ＨＴ−１３５及びＨＴ−２００）を熱交換流体として使用してもよい。

[0048]上述した熱交換器２２２の種々の実施形態を使用することにより、基板１１０を均一な仕方で冷却できると共に、基板１１０と熱交換器２２２との間の温度差を最小に保つことができ、例えば、３００ｍｍ基板の場合に２０００ワットの熱負荷において約５℃未満に保つことができる。熱交換器２２２は、基板１１０の冷却に関して説明したが、カソードペデスタル１０５を加熱するのに使用されてもよい。

[0049]以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに本発明の他の及び更に別の実施形態を案出することもでき、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲により決定される。

本発明の種々の実施形態を包含するプラズマエッチングリアクタのチャンバーを示す図である。 本発明の一実施形態によるカソードペデスタルの構造を詳細に示す図である。 本発明の一実施形態による導電性メッシュ層の構成を詳細に示す図である。 本発明の一実施形態によるバイアス同調回路を示す回路図である。 本発明の一実施形態による導体を取り巻く誘電体スリーブを示す図である。 本発明の一実施形態による誘電体スリーブの破断側面図である。 機械的に調整可能な誘電体スリーブの形態を示す側面図である。 各々機械的に調整可能な多数のスリーブ区分を有する形態を示す側面図である。 本発明の一実施形態による熱交換器の断面図である。 図８の熱交換器の概略底面図である。 本発明の一実施形態による山形突出部をもつ熱交換器のチャンネルを示す概略上面図である。 本発明の一実施形態による隆起形突出部をもつ熱交換器のチャンネルを示す概略側面図である。

符号の説明

３２・・・チャンバー、３４・・・ウェハ、３６・・・スリットバルブ開口、４０・・・静電チャック、４４・・・磁気コイル、４６・・・真空ポンプシステム、４８・・・スロットルバルブ、５０、５２・・・シールド、５８、６０、６２・・・ガスソース、６４、６６、６８・・・質量流量コントローラ、７２・・・処理領域、７６・・・孔、１００・・・エッチングリアクタ、１０５・・・カソードペデスタル、１１０・・・基板、１１５・・・半導体リング、１１８・・・持ち上がった部分、１２５・・・オーバーヘッド電極、１４０・・・チャック電源、２００・・・ＲＦ電源、２０２・・・ガス流開口、２０５・・・金属ペデスタル層、２０６・・・リフトピン開口、２１０・・・絶縁層、２１２・・・多孔性プラグ、２１５・・・上部導電性メッシュ層、２１６・・・リフトピン、２２０・・・下部導電性メッシュ層、２２２・・・熱交換器、２２５・・・ＲＦ導体、２２５ａ・・・フィードポイント、２３０・・・インピーダンス整合素子、２３２・・・チャンネル、２５０・・・冷却装置、５３０・・・半径方向内側部分、５３５・・・半径方向外側の環状部分、５４０・・・ＲＦ戻り路、５４５・・・一次ＲＦ戻り路、５５０・・・誘電体円筒状スリーブ、５５２・・・上部区分、５５４・・・中間区分、５５６・・・下部区分、５６０・・・外部制御ノブ

Claims (42)

1. チャンバーと、
   上記チャンバー内に配置されたペデスタルと、
   上記チャンバー内で上記ペデスタルの上に横たわるように配置されたガス分配プレートと、
   上記ペデスタルを取り巻くリングであって、持ち上がった部分を画成するリングと、
   上記ペデスタル内に配置された上部導電性メッシュ層及び下部導電性メッシュ層であって、上記上部導電性メッシュ層は、上記下部導電性メッシュ層の実質的に上に配置されると共に、上記ペデスタルに配置されるように構成された基板と実質的に同じサイズにされ、上記下部導電性メッシュ層は、形状が実質的に環状であって、上記上部導電性メッシュ層の周囲で、上記リングの上記持ち上がった部分の下に配置されるような上部導電性メッシュ層及び下部導電性メッシュ層と、
   を備えたプラズマエッチングリアクタ。
2. 上記持ち上がった部分は、上記基板の表面より約１．５ｍｍから約３ｍｍ高い、請求項１に記載のリアクタ。
3. 上記上部導電性メッシュ層、上記下部導電性メッシュ層及び上記持ち上がった部分は、上記基板の周囲付近の電界線を上記基板に対して実質的に垂直にするように構成される、請求項１に記載のリアクタ。
4. 上記下部導電性メッシュ層は上記ペデスタルの周囲付近に配置される、請求項１に記載のリアクタ。
5. 上記ペデスタルはカソードペデスタルである、請求項１に記載のリアクタ。
6. 上記ペデスタルに配置された絶縁層と、
   上記絶縁層を通して配置された複数のガス流開口と、
   を更に備え、少なくとも１つのガス流開口に多孔性プラグが配置され、該多孔性プラグは、上記絶縁層の上面に向ってガスが流れるための間接的通路を与えるように構成された、請求項１に記載のリアクタ。
7. 上記多孔性プラグは誘電体材料で形成される、請求項６に記載のリアクタ。
8. 上記多孔性プラグは、セラミック組成物、エンジニアリングサーモプラスチック、サーモセッティング樹脂、充填型エンジニアリングサーモプラスチック、充填型サーモセッティング樹脂、及びその組合せより成るグループから選択された材料で形成される、請求項６に記載のリアクタ。
9. 上記多孔性プラグは、約１０体積％から約６０体積％の範囲の有孔率を有するアルミナで形成される、請求項６に記載のリアクタ。
10. 上記間接的通路はまっすぐな視線構成を回避する、請求項６に記載のリアクタ。
11. 上記ペデスタルを通して配置された少なくとも１つのリフトピン開口を更に備え、該少なくとも１つのリフトピン開口には、上記ペデスタルの上面から基板の一部分を持ち上げるように構成されたリフトピンが配置され、更に、上記少なくとも１つのリフトピン開口の圧力は、プロセス中に上記チャンバー内部の圧力より実質的に低い、請求項１に記載のリアクタ。
12. 上記ペデスタル内部に配置された熱交換器を更に備え、該熱交換器は、複数のチャンネルを含み、各チャンネルは、そこに配置される複数の突出部を画成し、該突出部は、上記チャンネル内部に収容された熱交換流体に乱流を生じさせるように構成された、請求項１に記載のリアクタ。
13. 上記上部導電性メッシュ層及び上記下部導電性メッシュ層に電気的に結合されたＲＦバイアス発生器を更に備えた、請求項１に記載のリアクタ。
14. 上記ペデスタルに配置された絶縁層を更に備え、該絶縁層は厚みが約２５ｍｍから約３０ｍｍである、請求項１に記載のリアクタ。
15. 上記チャンバー内部に発生されるプラズマは、コンダクタンスが約０．００１＋ｊ０．０１から約０．００４＋ｊ０．０２である、請求項１３に記載のリアクタ。
16. 上記導電性メッシュ層は、ＲＦ導体及びＲＦバイアスインピーダンス整合素子の少なくとも一方を経て上記ＲＦバイアス発生器に電気的に結合される、請求項１３に記載のリアクタ。
17. 上記基板の表面にあるバイアス電力フィードポイントと、
    上記ＲＦバイアス発生器と上記バイアス電力フィードポイントとの間に接続されたＲＦ導体と、
    上記ＲＦ導体の一部分を取り巻く誘電体スリーブと、
    を更に備え、上記スリーブは、これが上記基板の表面にわたるプラズマイオン密度の均一性を実質的に向上させるリアクタンスを与えるように、上記ＲＦ導体に沿った軸方向長さ、誘電率及び上記ＲＦ導体に沿った軸方向位置を有する、請求項１３に記載のリアクタ。
18. 上記ガス分配プレートに電力を供給するためのＶＨＦ電源を更に備え、上記フィードポイントは、ＶＨＦ電力周波数におけるインピーダンスを有し、上記スリーブの上記リアクタンスは、上記ＶＨＦ電力周波数における上記フィードポイントのインピーダンスを、ほぼゼロのインピーダンスに近い値へもっていく、請求項１７に記載のリアクタ。
19. チャンバーと、
    上記チャンバー内に配置されたペデスタルと、
    上記チャンバー内で上記ペデスタルの上に横たわるように配置されたガス分配プレートと、
    上記ペデスタルを通して配置された少なくとも１つのリフトピン開口であって、該少なくとも１つのリフトピン開口には、上記ペデスタルの上面から基板の一部分を持ち上げるように構成されたリフトピンが配置され、更に、上記少なくとも１つのリフトピン開口の圧力がプロセス中に上記チャンバー内部の圧力より実質的に低くされた少なくとも１つのリフトピン開口と、
    を備えたプラズマエッチングリアクタ。
20. 上記少なくとも１つのリフトピン開口はポンプ作動されて真空にされる、請求項１９に記載のリアクタ。
21. チャンバーと、
    上記チャンバー内に配置されたペデスタルと、
    上記チャンバー内で上記ペデスタルの上に横たわるように配置されたガス分配プレートと、
    上記ペデスタル内部に配置された熱交換器であって、該熱交換器は、複数のチャンネルを含み、各チャンネルは、そこに配置される複数の突出部を画成し、該突出部は、上記チャンネル内部に収容された熱交換流体に乱流を生じさせるように構成された熱交換器と、
    を備えたプラズマエッチングリアクタ。
22. 各突出部は、フィン、山形及び隆起の１つである、請求項２１に記載のリアクタ。
23. 上記チャンネルは、隣接チャンネルに収容された熱交換流体が逆方向に進行するように構成される、請求項２１に記載のリアクタ。
24. 半導体基板処理リアクタを支持するための装置において、
    ペデスタルと、
    上記ペデスタルを取り巻くリングであって、持ち上がった部分を画成するリングと、
    上記ペデスタル内に配置された上部導電性メッシュ層及び下部導電性メッシュ層であって、上記上部導電性メッシュ層は、上記下部導電性メッシュ層の実質的に上に配置されると共に、上記ペデスタルに配置されるように構成された基板と実質的に同じサイズにされ、上記下部導電性メッシュ層は、形状が実質的に環状であって、上記上部導電性メッシュ層の周囲で、上記リングの上記持ち上がった部分の下に配置されるような上部導電性メッシュ層及び下部導電性メッシュ層と、
    を備えた装置。
25. 上記下部導電性メッシュ層は上記ペデスタルの周囲付近に配置される、請求項２４に記載の装置。
26. 上記ペデスタルはカソードペデスタルである、請求項２４に記載の装置。
27. 上記ペデスタルに配置された絶縁層と、
    上記絶縁層を通して配置された複数のガス流開口と、
    を更に備え、少なくとも１つのガス流開口に多孔性プラグが配置され、該多孔性プラグは、上記絶縁層の上面に向ってガスが流れるための間接的通路を与えるように構成された、請求項２４に記載の装置。
28. 上記多孔性プラグは誘電体材料で形成される、請求項２７に記載の装置。
29. 上記多孔性プラグは、セラミック組成物、エンジニアリングサーモプラスチック、サーモセッティング樹脂、充填型エンジニアリングサーモプラスチック、充填型サーモセッティング樹脂、及びその組合せより成るグループから選択された材料で形成される、請求項２７に記載の装置。
30. 上記多孔性プラグは、約１０体積％から約６０体積％の範囲の有孔率を有するアルミナで形成される、請求項２７に記載の装置。
31. 上記間接的通路はまっすぐな視線構成を回避する、請求項２７に記載の装置。
32. 上記ペデスタルを通して配置された少なくとも１つのリフトピン開口を更に備え、該少なくとも１つのリフトピン開口には、上記ペデスタルの上面から基板の一部分を持ち上げるように構成されたリフトピンが配置され、更に、上記少なくとも１つのリフトピン開口の圧力は、上記ペデスタルが収容されたチャンバーの運転中の圧力より実質的に低い、請求項２４に記載の装置。
33. 上記少なくとも１つのリフトピン開口はポンプ作動されて真空にされる、請求項３２に記載の装置。
34. 上記ペデスタル内部に配置された熱交換器を更に備え、該熱交換器は、複数のチャンネルを含み、各チャンネルは、そこに配置される複数の突出部を画成し、該突出部は、上記チャンネル内部に収容された熱交換流体に乱流を生じさせるように構成された、請求項２４に記載の装置。
35. 各突出部は、フィン、山形及び隆起の１つである、請求項３４に記載の装置。
36. 上記チャンネルは、隣接チャンネルに収容された熱交換流体が逆方向に進行するように構成される、請求項３４に記載の装置。
37. 上記ペデスタルに配置された絶縁層を更に備え、該絶縁層は厚みが約２５ｍｍから約３０ｍｍである、請求項２４に記載の装置。
38. 半導体基板処理リアクタを支持するための装置において、
    ペデスタルと、
    上記ペデスタルを通して配置された少なくとも１つのリフトピン開口であって、該少なくとも１つのリフトピン開口にはリフトピンが配置され、更に、上記少なくとも１つのリフトピン開口の圧力は、上記ペデスタルが収容されたチャンバーの運転中の圧力より実質的に低くされた少なくとも１つのリフトピン開口と、
    を備えた装置。
39. 上記少なくとも１つのリフトピン開口はポンプ作動されて真空にされる、請求項３８に記載の装置。
40. 半導体基板処理リアクタを支持するための装置において、
    ペデスタルと、
    上記ペデスタル内部に配置された熱交換器であって、該熱交換器は、複数のチャンネルを含み、各チャンネルは、そこに配置される複数の突出部を画成し、該突出部は、上記チャンネル内部に収容された熱交換流体に乱流を生じさせるように構成された熱交換器と、
    を備えた装置。
41. 各突出部は、フィン、山形及び隆起の１つである、請求項４０に記載の装置。
42. 上記チャンネルは、隣接チャンネルに収容された熱交換流体が逆方向に進行するように構成される、請求項４０に記載の装置。
    

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